KR20220069122A - 열 가스 센서에 대한 평가 배열, 방법들 및 컴퓨터 프로그램들 - Google Patents
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Abstract
적어도 하나의 가열기 및 적어도 하나의 검출기를 갖는 열 가스 센서에 대한 평가 배열이 제공된다. 평가 배열은 제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보 및 제1 검출기의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제1 위상 차이에 관한 정보를 획득하도록 구성된다. 부가적으로, 평가 배열은, 검출기 신호의 진폭들에 관한 정보에 의존하여 그리고 제1 위상 차이에 관한 정보에 의존하여, 중간의 양으로서 조합 신호를 형성하고, 조합 신호에 기초하여, 가스 농도에 관한 정보 또는 유체의 열 확산성에 관한 정보를 결정하도록 구성된다.
Description
본 발명에 따른 실시예들은 열 가스 센서에 대한 평가 배열(evaluation arrangement), 방법들 및 컴퓨터 프로그램들에 관한 것이다.
현재, 가스들은 상이한 센서들을 사용하여 그들의 속성들에 관해 분석될 수 있다. 오늘날, 시장에는 환자 인공호흡(patient ventilation)을 위한 상이한 시스템들이 존재한다. 그 시스템들(예를 들어, 회사들 Heinen + L
wenstein, Dr
ger, 및 Stephan Medizintechnik의 시스템들)은 임상 영역 및 홈 케어 영역에서의 그들의 이용도에 따라 구별된다. 이들 제공업체들의 시스템들은 그들의 최상의 버전에서만 압력, 호기/흡기 흐름, 및 호흡 공기 분석을 결정하기 위한 모든 필요한 측정 수단을 포함한다. 이 때문에, 환자로부터 원격으로 극도로 측정하는 수 개의 디바이스들은 결합되어야 한다.
전술된 것을 고려하여, 가스 측정 시스템의 시스템 중량의 감소와 설치 공간의 감소 사이의 더 양호한 절충을 가능하게 하고, 정확한 흐름 측정 뿐만 아니라 신속한 가스 분석을 제공하는 개념에 대한 필요성이 존재한다.
이러한 목적은 장치 청구항 제1항, 제2항, 제20항, 및 제33항, 방법 청구항 제17항, 제18항, 제31항 및 제41항 그리고 컴퓨터 프로그램 청구항 제19항, 제32항 및 제42항의 독립 특허 청구항들에 의해 해결된다.
본 발명의 추가적인 전개들이 종속항들에 정의된다.
일 실시예는, 적어도 하나의 가열기(예를 들어, 가열 엘리먼트) 및 적어도 하나의 검출기(예를 들어, "써모파일(thermopile) 구조", 온도-가변 저항기들 또는 서미스터들)를 갖는 열 가스 센서에 대한 평가 배열(evaluation arrangement)에 관한 것이다. 예를 들어, 평가 배열은 제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(예를 들어, D1.Uss) 및 제1 검출기의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제1 위상 차이(예를 들어, (D1-Hz).phi)에 관한 정보를 획득하도록 구성된다. 부가적으로, 평가 배열은 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(예를 들어, D1.Uss 및/또는 D2.Uss)에 의존하여 그리고 제1 위상 차이에 관한 정보에 의존하여 중간의 양으로서, 진폭 정보 및 위상 정보를 조합할 수 있는 조합 신호를 형성하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 평가 배열은, 예를 들어 (예를 들어, 계산들의 추가적인 프로세스에서 조합 신호로 통합되는 개별 정보를 별도로 고려하지 않으면서) 조합 신호에 기초하여 예를들어, 유체(예를 들어, 가스 또는 가스 혼합물)의 열 확산성에 관한 정보 또는 가스 농도에 관한 정보를 결정하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 가열기 및 적어도 하나의 검출기는 발생가능한 (동기화) 에러들을 가급적 최소화시키기 위해 주기적으로 교환될 수 있다. 다시 말하면, 제1 시점에서, 검출기는 가열기로서 작동할 수 있고, 가열기는 검출기로서 작동할 수 있으며, 제2 시점에서, 검출기는 검출기로서 사용될 수 있고, 가열기는 가열기로서 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 2개의 검출기들을 포함하며, 여기서 이들 2개의 검출기는 가열기에 대해 동일한 거리를 포함한다. 이러한 경우, 예를 들어, 2개의 검출기들로부터의 2개의 검출기 신호들의 진폭들에 관한 정보(예를 들어, D1.Uss 및 D2.Uss)의 합 뿐만 아니라 2개의 검출기들의 2개의 위상 차이들((D1-Hz).phi 및 (D2-Hz).phi)에 관한 정보의 합은 조합 신호로 통합될 수 있다.
일 실시예는, 적어도 하나의 가열기(예를 들어, 가열 엘리먼트), 및 가열기에 대해 상이한 거리들로 배열된 2개의 검출기들(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조 및 제2 열 엘리먼트 구조, 또는 온도-가변 저항기들, 또는 서미스터들)을 갖는 열 가스 센서에 대한 평가 배열에 관한 것이며, 여기서 평가 배열은, 제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(예를 들어, D1.Uss), 제2 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(예를 들어, D2.Uss), 제1 검출기의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제1 위상 차이(예를 들어, (D1-Hz).phi)에 관한 정보, 및 제2 검출기의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제2 위상 차이(예를 들어, (D2-Hz).phi)에 관한 정보를 획득하도록 구성된다. 평가 배열은, 검출기 신호들의 진폭들에 관한 정보(예를 들어, 제1 검출기의 D1.Uss 및 제2 검출기의 D2.Uss)에 의존하여 그리고 제1 위상 차이에 관한 정보에 의존하여 그리고 제2 위상 차이에 관한 정보에 의존하여 중간의 양으로서, 진폭 정보와 위상 정보를 조합할 수 있는 조합 신호를 형성하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 평가 배열은, (예를 들어, 계산들의 추가적인 프로세스에서 조합 신호로 통합되는 개별 정보를 별도로 고려하지 않으면서) 조합 신호에 기초하여 유체(예를 들어, 가스 또는 가스 혼합물)의 열 확산성에 관한 정보 또는 가스 농도에 관한 정보를 결정하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 가스는 적어도 하나의 가열기와, 가열기에 대해 상이한 거리들 또는 동일한 거리로(예를 들어, 대칭적으로) 배열된 검출기들 사이의 열 가스 센서에 배열될 수 있으며, 여기서 상기 가스는 열 가스 센서와 함께 평가 배열을 이용하여 분석될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어, 열은 적어도 하나의 가열기로부터 제1 검출기 및 제2 검출기로 그들 사이에 위치된 가스 및/또는 가스 혼합물을 통해 전달된다. 이러한 경우, 제1 검출기에 의해 검출된 검출기 신호 및/또는 제2 검출기에 의해 검출된 검출기 신호는, 가열기로부터 개개의 검출기로 전달된 열을 표시할 수 있다. 적어도 하나의 가열기의 가열 신호 진폭(예를 들어, 가열기 진폭)이 변하면(예를 들어, 가열기의 주기적인 여기), 2개의 검출기들은 가열기에 대응하는 가변 진폭을 검출할 수 있다. 제1 검출기 및/또는 제2 검출기의 검출기 신호는 평가 배열로 송신될 수 있다. 따라서, 평가 배열은 제1 검출기의 검출기 신호로부터 그리고 제2 검출기의 검출기 신호로부터, 진폭에 관한 개개의 정보 뿐만 아니라 제1 검출기의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제1 위상 차이에 관한 정보 및 제2 검출기의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제2 위상 차이에 관한 정보를 획득할 수 있다. 이를 위해, 예를 들어, 평가 배열은 제1 검출기 및/또는 제2 검출기의 검출기 신호들에 부가하여, 열 가스 센서로부터 가열기 신호를 획득할 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 평가 배열은 열 가스 센서로부터, 제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보, 제2 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보, 제1 위상 차이에 관한 정보, 및 제2 위상 차이에 관한 정보를 직접 획득할 수 있다.
평가 배열의 이러한 실시예는, 검출기 신호들의 진폭들에 관한 정보에 기초하고 제1 위상 차이에 관한 정보 및 제2 위상 차이에 관한 정보에 의존하는 조합 신호가, 예를 들어 유체의 열 확산성에 관한 정보 및 가스 농도를 결정하기 위하여 평가 배열에 의해 매우 신속하게 프로세싱될 수 있는 매우 안정된 신호를 구성한다는 발견에 기초한다. 따라서, 평가 배열은 신속한 가스 분석을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 가열기 진폭에 관한 정보를 획득하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 평가 배열은, 조합 신호(sigX)를 결정하기 위해 가열기 진폭에 관한 정보, 검출기 신호들의 진폭들에 관한 정보, 제1 위상 차이에 관한 정보, 및 제2 위상 차이에 관한 정보의 선형 조합을 형성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 가열기 진폭에 관한 정보는 가열 전력에 관한 정보일 수 있다. 여기서, 가열기 진폭에 관한 정보는 또한 Hz.Uss로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 평가 배열은 열 가스 센서로부터 직접 가열기 진폭에 관한 정보를 획득하거나, 예를 들어 열 가스 센서로부터 평가 배열로 송신된 가열기 신호로부터 그 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 선형 조합은, 가열기 진폭에 관한 정보와 검출기 신호들의 진폭들에 관한 정보의 제1 선형 조합을 갖는 제1항, 및 제1 위상 차이에 관한 정보와 제2 위상 차이에 관한 정보의 제2 선형 조합을 갖는 제2항을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 예를 들어, 제1항 및 제2항은 조합 신호를 결정하기 위해 선형 조합에서 상이한 상수들을 이용하여 가중될 수 있다. 평가 배열이 조합 신호를 결정할 때 가열기 진폭을 고려한다는 사실로 인해, 가열기 신호(예를 들어, 가열기에 의해 방출된 주기적인 온도 파들의 신호)는 제1 검출기 및/또는 제2 검출기의 검출기 신호(주기적인 온도 파들의 수신된 신호)와 비교될 수 있으며, 그 결과, 분석될 가스를 통한 가열기로부터 2개의 검출기들로의 열 전달은 매우 정밀하게 결정될 수 있다. 이것은 평가 배열을 이용한 매우 정밀하고 신속한 가스 분석을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 다음에 따라 조합 신호 sigX를 획득하도록 구성될 수 있다:
sigX=sigUss*Ka+sigPhi*Kp
여기서, sigUss는 제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보 및 제2 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보에 의존할 수 있는 진폭 정보 또는 진폭 신호일 수 있다. 항(term) sigPhi는 제1 위상 차이에 관한 정보 및 제2 위상 차이에 관한 정보에 의존할 수 있는 위상 정보 또는 부가된 위상 신호일 수 있고, 인자들 Ka 및 Kp는 상수들일 수 있다. 이러한 경우, 상수들 Ka 및 Kp는 진폭 정보 및 위상 정보를 별개로 각각 가중할 수 있으므로, 평가 배열은 조합 신호 sigX를 획득할 수 있다. 진폭 정보 sigUss는 제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보와 제2 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보의 선형 조합일 수 있다. 위상 정보 sigPhi는 제1 위상 차이에 관한 정보 및 제2 위상 차이에 관한 정보의 선형 정보일 수 있다. 예를 들어, 상수들 Ka 및 Kp는 변환 인자들일 수 있다. 일 실시예에 따르면, Ka 및 Kp는 최적화된 조합 신호에 대한 가중 인자들이며, 여기서 인자들 Ka 및 Kp는 단위가 없는 양들일 수 있다(예를 들어, 이것은 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 임베디드 시스템(embedded system)에 필요하지 않으며, 예를 들어 CO2 농도를 제공함). 일 실시예에 따르면, 예를 들어 임베디드 시스템은 진폭에 대한 AD 디지트(digit)들을 제공하고, 위상 정보는, 예를 들어 임베디드 시스템의 타이밍 유닛으로부터 결정되며, 예를 들어 그 타이밍 유닛은 비교기가 기울어질 때까지 시간들을 측정한다. 따라서, 예를 들어, 진폭 및 시간/각도로의 변환은 평가 배열의 회로 및 임베디드 시스템(마이크로제어기)의 기술적 데이터에 의해 특정된다. 예를 들어, 인자들은, 신호 컴포넌트들 둘 모두(진폭 및 위상)가 CO2 교정의 측정 범위에 걸쳐 대략 동일한 비율로 조합 신호 sigX에 도입되어, 예를 들어 가장 큰 측정 분해능이 sigX에서 획득될 수 있도록 선택된다. 예를 들어, 인자들 Ka 및 Kp는, 예를 들어 sigX에 대한 최상의 신호를 획득하기 위해 경험적으로 결정된다. 예를 들어, 상수들 Ka 및 Kp는 분석될 가스의 농도, 온도, 또는 압력에 의존할 수 있다. 따라서, 진폭 정보 sigUss는 위상 정보 SigPhi와 매칭될 수 있다. 평가 배열이, 조합 신호와 함께 진폭 정보 및 위상 정보를 추가로 프로세싱할 수 있는 것이 가능하며, 예를 들어, 그 결과, 평가 배열은 가스 센서에 의해 검출된 가스를 매우 신속하고, 효율적으로 그리고 매우 정밀하게 분석할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 sigUss=2*Hz.Uss-(D1.Uss+D2.Uss)에 따라 진폭 정보 sigUss를 획득하도록 구성된다. 항 Hz.Uss는 가열기 진폭에 관한 정보일 수 있고, 항 D1.Uss는 제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보일 수 있으며, D2.Uss는 제2 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보일 수 있다. 따라서, 진폭 정보 sigUss는 상대적인 진폭 신호를 구성할 수 있다. 다시 말하면, 진폭 정보는 가열기 진폭의 2배와 제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보 및 제2 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보의 차이일 수 있다. 진폭 정보 sigUss의 이러한 특정한 계산은, 진폭 정보 sigUss가 유체에 의한 열 전달에 본질적으로 의존하고, 예를 들어 적어도 하나의 가열기로부터 분석될 가스로의 그리고 분석될 가스로부터 제1 및/또는 제2 검출기로의 알려지지 않은 열 전달들이 고려되지 않거나 또는 단지 약간만 고려된다는 것을 달성할 수 있다. 따라서, 진폭 정보 sigUss에 의존할 수 있는 조합 신호 sigX는 알려지지 않은 열 전달들에 의해 영향을 받지 않거나 단지 약간만 영향을 받으며, 그 결과, 평가 배열은 분석될 가스의 속성들, 이를테면 가스 농도에 관한 정보 또는 유체의 열 확산성에 관한 정보를 매우 정밀하게 결정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 가스 농도에 관한 정보 또는 유체의 확산성에 관한 정보를 획득하기 위해 조합 신호의(예를 들어, 제1 차의, 예를 들어 A.y(sigX)의) 다항식을 계산하도록 구성될 수 있다. 평가 배열에 의한 조합 신호의 다항식 형성을 통해, 조합 신호의 드리프트 보정(drift correction)이 수행될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 농도 드리프트, 압력 드리프트, 및 온도 드리프트가 다항식 형성에 의해 보정될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 평가 배열은 조합 신호의 3개의 다항식들을 계산할 수 있으며, 여기서 제1 다항식은 가스 농도와 조합 신호 사이의 관계를 표현할 수 있고, 제2 다항식은 압력과 신호 드리프트(조합 신호의 압력 드리프트) 사이의 관계를 표현할 수 있고, 제3 다항식은 온도와 압력 드리프트 사이의 관계를 표현할 수 있다. 따라서, 이러한 특징을 통해, 가능한 부정확성들이 보정될 수 있고, 따라서 평가 배열은 가능한 에러들의 감소와 함께 매우 정밀하게 유체를 분석하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 가스 농도에 관한 정보 또는 열 확산성에 관한 정보를 획득하기 위해 조합 신호의 다항식을 보정 항과 곱하도록 구성될 수 있다. 보정 항은 조합 신호, 압력(p)에 관한 정보 및 온도(T)에 관한 정보에 의존할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 보정 항은 조합 신호의 압력/온도 의존성을 보상할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 가스 농도와 조합 신호 사이의 관계를 표현하는 다항식은 압력 및 온도 드리프트에 관한 보정 항을 이용하여 보정될 수 있다. 따라서, 보정 항을 조합 신호의 다항식과 곱함으로써, 에러들의 가능한 영향들의 감소가 평가 배열에 의해 수행될 수 있으며, 그 결과, 평가 배열은 가스 농도에 관한 정보 또는 열 확산성에 관한 정보를 매우 정밀하게 획득하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이것은, 예를 들어 가스 센서의 제1 검출기 및/또는 제2 검출기에 의한 검출기 신호의 검출에서 생성된 압력-의존적 및 온도-의존적 에러들을 최소화시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 가스 농도에 관한 정보 C를 획득하기 위해 
에 따라 계산을 수행하도록 구성될 수 있다. 항 sigX는 조합 신호일 수 있고, 항 pol(sigX)은 조합 신호 sigX의 다항식일 수 있고, f(p)는 압력 p의(또는 열 가스 센서의 주변 영역에서 측정된 압력 p의) 함수일 수 있고, const1은 제1 상수일 수 있고, f(T)는 온도(또는 열 가스 센서의 주변 영역에서 측정된 온도 T)의 함수일 수 있으며, const2는 제2 상수일 수 있다. 예를 들어, 함수 f(p)는 압력과 신호 시프트(shift) 사이의 관계를 표현할 수 있는 다항식일 수 있고, f(T)는 온도와 신호 시프트 사이의 관계를 표현할 수 있는 다항식일 수 있다. 이러한 특징을 이용하여, 조합 신호의 다항식은 가스 센서에 의해 야기되는 압력-의존적 및/또는 온도-의존적 에러들에 관해 보정될 수 있거나, 이들이 감소될 수 있으며, 그 결과, 평가 배열에 의한 매우 정밀한 가스 분석이 가능하게 된다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 가스 농도에 관한 정보 C를 획득하기 위해 
에 따라 계산을 수행하도록 구성될 수 있다. 항 sigX는 조합 신호일 수 있고, A.y(sigX)는 조합 신호 sigX의 다항식(예를 들어, 1차의)일 수 있고, B.y(p)는 압력 p의(또는 열 가스 센서의 주변 영역에서 측정된 압력 p의) 함수일 수 있고, B.ref는 상수일 수 있고, C.y(T)는 온도 T의(또는 열 가스 센서의 주변 영역에서 측정된 온도 T의) 함수일 수 있으며, C.ref는 제2 상수일 수 있다. 여기서, 예를 들어, B.y(p)는 압력 p와 (예를 들어, 조합 신호 sigX의) 신호 시프트 사이의 관계를 표현할 수 있는 다항식(예를 들어, 2차의) 함수일 수 있다. 예를 들어, 함수 C.y(T)는, 예를 들어 온도 T와 압력 시프트 사이의 관계를 표현할 수 있는 다항식(예를 들어, 2차의) 함수이다. 따라서, 압력 p의 함수 B.y(p) 및 온도 T의 함수 C.y(T)가 조합 신호 sigX를 보정할 수 있는 보정 항을 형성할 수 있으므로, 평가 배열은, 예를 들어, 분석될 유체의 가스 농도에 관한 정보를 매우 정밀하게 결정하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은, 가스 농도에 관한 정보를 결정할 때 열 가스 센서의 주변 영역에서의 압력 및/또는 온도를 고려하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어, 평가 배열은 가스 센서의 주변 영역에서의 압력 및/또는 온도에 관한 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 열 가스 센서의 주변 영역에서의 압력은 압력 센서에 의해 결정되고, 열 가스 센서의 주변 영역에서의 온도는 온도 센서에 의해 결정되며, 그 압력 및 온도는, 예를 들어 평가 배열로 송신된다. 압력 센서 및/또는 온도 센서는 열 가스 센서의 주변 영역에 배열될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 평가 배열이 압력 및/또는 온도에 의존하여 보정들을 수행하는 것이 가능하며, 따라서 유체를 매우 정밀하게 분석할 수 있고, 그에 따라 가스 농도 및/또는 유체의 열 전도율에 관한 정보를 매우 정밀하게 획득할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은, 가스 농도에 관한 정보를 결정할 때, 드리프트 보정의 입력 양들로서, 조합 신호, 열 가스 센서의 주변 영역에서의 온도에 관한 정보, 및 열 가스 센서의 주변 영역에서의 압력에 관한 정보를 사용하고, 드리프트 보정의 결과로서 가스 농도에 관한 정보를 획득하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 3개의 언급된 입력 변수들 외에도, 드리프트 보정은 추가적인 변수들을 획득하지 않지만, 예를 들어 교정의 맥락에서 상수들, 예를 들어 이전에 (예를 들어, 부가적으로) 획득된, 만을 사용한다. 따라서, 평가 배열은 드리프트에 의해 야기되는 가스 농도의 계산에서의 가능한 에러들을 계산하고, 그에 따라 드리프트 보정을 수행하도록 구성될 수 있다. 드리프트는 상이한 온도들 및 압력들에서 생성될 수 있고, 따라서 가스 농도의 결정을 조작(falsify)할 수 있으며, 이는 이러한 특징을 이용하여 회피되거나 억제될 수 있다. 따라서, 평가 배열을 이용하여 가스 농도에 관한 정보를 매우 정밀하게 결정하는 것이 가능하다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은, 적어도 제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보에 의존하고 그리고 선택적으로 제2 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보에 의존하는 진폭 정보와, 제1 위상 차이에 관한 정보에 의존하고 그리고 선택적으로 제2 위상 차이에 관한 정보에 의존하는 위상 정보 사이의 몫(quotient)에 기초하여 조합 신호 또는 추가적인 조합 신호를 획득하도록 구성된다. 부가적으로, 평가 배열은 조합 신호에 의존하여 가스, 예를 들어 가스 혼합물의 제3 가스의 농도에 관한 정보를 결정하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 몫은 진폭에 관한 정보와 위상 정보 사이의 비율이다. 일 실시예에 따르면, 제3 가스는 이러한 비율을 시프트시키며, 그 결과, 평가 배열은 이러한 비율에 기초하여 제3 가스 컴포넌트의 농도를 추론하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 다음에 따라 조합 신호 sigV를 획득하도록 구성될 수 있다:
sigV=sigUss*Kav/(sigPhi*Kpv)
수학식에서, sigUss는 제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보에 의존하고 그리고 선택적으로 제2 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보에 의존하는 진폭 정보일 수 있다. 부가적으로, sigPhi는 제1 위상 차이에 관한 정보에 의존하고 그리고 선택적으로 제2 위상 차이에 관한 정보에 의존하는 위상 정보일 수 있다. 부가적으로, Kav 및 Kpv는 상수들을 표현한다. 예를 들어, 조합 신호 sigV는 진폭에 관한 정보와 위상 정보 사이의 비율을 표현한다. 다시 말하면, 평가 배열은 평가 배열에 의해, 예를 들어 상관에 의해, 분석될 가스 혼합물 내의 알려진 제3 가스의 알려지지 않은 농도를 추론하는 데 사용될 수 있는 추가적인 물리적 가스 파라미터를, 비율 sigV에 의해 진폭 신호 및 위상 신호로부터 결정하도록 구성된다. Kav 및 Kpv는 진폭들 및 위상들의 비율의 변화들을 증폭시키는 새로운 가중 인자들이다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은, 가열 기간 동안 얼마나 많은 열이 가열기에 의해 소산되는지에 관한 정보를 획득하고, 가열 기간 동안 얼마나 많은 에너지가 가열기에 의해 소산되는지에 관한 정보에 의존하여, 가스, 예를 들어 가스 혼합물의 제3 가스의 농도에 관한 정보를 결정하도록 구성된다. 가열 기간은 가열 전압의 제1 제로 크로싱(zero crossing)으로부터 가열 전압의 제2 제로 크로싱까지의 지속기간인 것으로 이해될 수 있다. 대안적으로, 가열 기간은 또한, 가열 전압이 제로 볼트로부터 제로 볼트 초과 또는 제로 볼트 미만으로 변하는 제1 시점으로부터 시작하여, 가열 전압이 제로 볼트 초과 또는 제로 볼트 미만으로부터 제로 볼트로 변하는 제2 시점까지의 지속기간인 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 가열 신호는 정현파(sinusoidal) 신호, 코사인 신호, 구형파 신호, 삼각파 신호 또는 톱니 신호일 수 있다. 열은 가열 기간 동안 가열기를 둘러싸는 가스 혼합물로 소산된다. 가열기에 의해 주변 가스로 소산되는 열의 양은, 예를 들어 주변 가스의 열 전도율 또는 주변 가스의 가스 컴포넌트들의 열 전도율에 의존한다. 따라서, 평가 배열은, 가열기에 의해 소산되는 열에 의해, 알려지지 않은 가스 또는 가스 혼합물의 열 전도율을 결정하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 특정된 가열 전압의 가열기를 통한 전류 흐름의 측정에 기초하여 가열 기간 동안 얼마나 많은 열이 가열기에 의해 소산되는지에 관한 정보를 획득하도록 구성된다. 다시 말하면, 가열기에 인가된 가열 전압은 가열 기간 동안 특정되며, 전류 흐름은 얼마나 많은 열이 가스 또는 가스 혼합물로 소산되는지에 따라 변한다. 소산되는 열의 양이 클수록, 가열기의 온도 증가가 약해지며, 그에 따라, 포지티브 TCR(온도 저항 계수)을 가정하면, 가열기 저항의 값의 증가가 약해지고, 그 결과, 전류 흐름이 덜 감소한다. 따라서, 평가 배열에 의해 가열기를 통한 전류 흐름을 결정함으로써, 분석될 가스 혼합물의 조성이 추론될 수 있거나, 또는 가스 분석에서의 정확도를 추가로 개선시키도록 전류 흐름이 평가 배열에 의해 부가적인 정보로서 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 특정된 가열 전압을 스위칭 온한 직후 그리고 특정된 가열 전압을 스위칭 오프하기 직전에 전류 흐름을 획득하도록 구성된다. 평가 배열은 이들 전류 흐름 데이터 조각들 둘 모두의 차이로부터 가열 기간 동안의 전류 흐름의 변화를 결정할 수 있다. 차이가 클수록, 분석될 가스 또는 가스 혼합물의 열 전도율이 낮아진다. 따라서, 평가 배열은, 가스 또는 가스 혼합물의 열 전도율을, 예를 들어 가스 또는 가스 혼합물의 분석에서의 부가적인 파라미터로서 사용하도록 구성된다. 다시 말하면, 평가 배열은 열 전도율의 측정을 알려지지 않은 가스 혼합물의 추가적인 물리적 파라미터로서 사용하도록 구성될 수 있지만, 평가 배열은, 예를 들어 가열 전압을 스위칭한 직후 그리고 가열 전압을 스위칭 오프하기 직전에 시작 최대에서 가열기 전류의 차이를 (주기 당) 평가하도록 구성된다. 가열 전압을 스위칭한 직후라는 것은, 스위치-온 이후 10 μs 내지 1 ms, 100 μs 내지 800 μs, 또는 300 μs 내지 500 μs, 이를테면 400 μs의 시간 범위 내의 시점을 나타낼 수 있다.
일 실시예는 적어도 하나의 가열기 및 적어도 하나의 검출기를 갖는 열 가스 센서의 신호들을 평가하기 위한 방법을 제공한다. 예를 들어, 열은 분석될 가스를 통해 가열기로부터 검출기로 전달될 수 있다. 방법은, 제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(예를 들어, D1.Uss) 및 제1 검출기의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제1 위상 차이에 관한 정보(예를 들어, (D1-Hz).phi)를 획득하는 단계를 포함할 수 있다. 조합 신호는 검출기 신호의 진폭에 관한 정보에 의존하여 그리고 제1 위상 차이에 관한 정보에 의존하여 중간의 양으로서 형성될 수 있다. 예를 들어, 조합 신호는 진폭 정보와 위상 정보를 조합할 수 있다. 가스 농도에 관한 정보 또는 유체(예를 들어, 가스 또는 가스 혼합물)의 열 확산성에 관한 정보는 조합 신호에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 이러한 결정은 계산들의 추가적인 프로세스에서 조합 신호로 통합되는 개별 정보를 별도로 고려하지 않으면서 수행될 수 있다.
일 실시예는, 적어도 하나의 가열기 및 가열기에 대해 상이한 거리들 또는 동일한 거리로 배열된 2개의 검출기들을 갖는 열 가스 센서의 신호들을 평가하기 위한 방법을 제공한다. 예를 들어, 열은 분석될 가스를 통해 가열기로부터 2개의 검출기들로 전달될 수 있다. 방법은, 제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(예를 들어, D1.Uss), 제2 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(예를 들어, D2.Uss), 제1 검출기의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제1 위상 차이에 관한 정보(예를 들어, (D1-Hz).phi), 및 제2 검출기의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제2 위상 차이에 관한 정보(예를 들어, (D2-Hz).phi)를 획득하는 단계를 포함할 수 있다. 조합 신호는 검출기 신호들의 진폭에 관한 정보에 의존하여 그리고 제1 위상 차이에 관한 정보에 의존하여 그리고 제2 위상 차이에 관한 정보에 의존하여 중간의 양으로서 형성될 수 있다. 예를 들어, 조합 신호는 진폭 정보와 위상 정보를 조합할 수 있다. 가스 농도에 관한 정보 또는 유체(예를 들어, 가스 또는 가스 혼합물)의 열 확산성에 관한 정보는 조합 신호에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 이러한 결정은 계산들의 추가적인 프로세스에서 조합 신호로 통합되는 개별 정보를 별도로 고려하지 않으면서 수행될 수 있다.
일 실시예는 적어도 하나의 가열기 및 적어도 하나의 검출기를 갖는 열 가스 센서에 대한 평가 배열에 관한 것이다. 예를 들어, 필수적이지는 않지만, 2개의 검출기들이 가열기에 대해 상이한 거리들로 배열될 수 있다. 평가 배열은, 검출기들 중 적어도 하나로부터의 적어도 하나의 센서 신호에 의존하여, 적어도 하나의 센서 신호를 미리 결정된 값 범위로 가져오기 위해 가열기에 인가된 가열 전력을 제어하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 평가 배열은, 센서 신호들로부터 가스 농도에 관한 정보를 도출할 때 가열 전력에 관한 정보(예를 들어, Hz.Uss)를 고려하도록 구성될 수 있다.
평가 배열의 이러한 실시예는, 상이한 가스들 또는 가스 혼합물에 대하여 평가 배열이 적어도 하나의 센서 신호를 미리 결정된 값 범위로 유지시키기 위해 가열 전력을 변경시킬 수 있다는 발견에 기초한다. 적어도 하나의 센서 신호가 미리 결정된 값 범위로 유지된다는 사실로 인해, 그것은 큰 정보 손실들을 수용할 필요 없이 이상적인 방식으로 분석할 수 있다. 예를 들어, 평가 배열이 센서 신호의 진폭이 미리 결정된 값 범위보다 낮다는 사실에 관한 정보를 획득하면, 평가 배열은, 가열기의 가열 전력을 증가시키고 그에 따라 센서 신호의 진폭을 미리 결정된 값 범위 내로 들어 올리기 위해 가열 전력을 가열기에 인가할 수 있다. 그러나, 평가 배열이 센서 신호가 미리 결정된 값 범위보다 큰 진폭을 포함한다는 사실에 관한 정보를 획득하면, 평가 배열은, 가열기의 가열 전력을 감소시키고 그에 따라 센서 신호의 진폭을 미리 결정된 값 범위 내로 낮추기 위해 가열 전력을 가열기에 인가할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 평가 배열은, 평가 배열이 적어도 하나의 센서 신호에 의존하여 가열 전력을 가열기에 인가하거나 가열 전력을 재조정한다는 사실에 의해, 적어도 하나의 센서 신호를 미리 결정된 값 범위로 일정하게 유지시킬 수 있다. 따라서, 평가 배열은 가열 전력에 관한 정보와 센서 신호들에 관한 정보의 조합을 사용하여 가스의 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보를 도출할 수 있다. 따라서, 부가적으로, 평가 배열은 정밀한 흐름 측정 및 신속한 가스 분석을 가능하게 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 주기적인 신호를 가열기에 인가하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 주기적인 신호들은 구형파 신호, 또는 정의된 전력을 갖는 펄스, 또는 정현파 신호를 정의한다. 선택적으로, 평가 배열은 주기적인 신호를 생성할 수 있는 프로세서를 포함한다. 여기서, 프로세스에서 평가가능한 타이머 구조들로 인해, 정현파 신호가 프로세서에 의해 그의 디지털/아날로그(DA) 포트 상에서 출력될 합성 정현파 신호보다 훨씬 더 정밀하게 시간적으로 생성될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 주기적인 신호를 가열기에 인가함으로써, 2개의 검출기들은 각각, 주기적인 센서 신호를 또한 검출한다. 그러한, 그러한 방식으로 달성된 주기적인 센서 신호들은 또한, 가열기의 주기적인 신호에 관한 진폭, 오프셋, 및 위상 위치가 상이할 수 있다. 평가 배열에 의해 달성된 정보로부터, 평가 배열은 열 전도율, 열 확산성, 및 가스(열 가스 센서에 의해 분석될 가스)의 밀도가 알려지면, 또한 특정 열 용량을 결정할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 가스 농도 및/또는 열 전도율/열 확산성에 관한 정보는, 가열 전력에 관한 정보를 표현할 수 있는 가열 전력의 변동으로부터 도출될 수 있다. 현재, 열 가스 센서의 가열기가 낮은 열 질량(thermal mass)을 포함하면, 열이 제공되고 신속하게 소산될 수 있으므로, 가열기에 인가되는 주기적인 신호는 최대 300 Hz까지의 주파수들로 평가 배열에 의해 변조될 수 있다. 따라서, 주기적인 신호는 정밀하고, 신속하며 효율적인 가스 분석을 가능하게 한다.
예를 들어, 주기적인 신호가 정의된 전력을 갖는 임펄스이면, 검출기에 관한 가열기 신호의 가파른 에지들의 누화(crosstalk)는 시간상 나중에 발생하는 열파와 명확하게 시간적으로 구별가능할 것이다. 50%의 듀티 사이클의 경우, 가열기가 열파를 동시에 획득하고 적어도 하나의 검출기가 측정을 수행하면, 가열기에서의 스위치-오프 에지가 센서 신호로 전기적으로 누화될 수 있는 것이 가능하다. 전자 시스템(R-C 컴포넌트들)을 구성함으로써, 가열기 에지들은 약간 둥글게 될 수 있고(round off), 검출기 신호들은 누화 간섭 외부로 푸시(push)될 수 있다. 강력한 임베디드 플랫폼 상에서, 전기 간섭 및 신호가 명확하게 시간적으로 구별될 수 있으므로, 더 짧은 듀티 사이클을 갖는 가열기 동작이 더 중요해질 수 있다. 명확하게, 펄스는, 적어도 하나의 검출기가 측정을 수행할 수 있도록 가열기가 충분한 전력/열을 소산시킬 만큼 충분히 넓어야 하며, 이는 5%의 듀티 사이클의 하한일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 가열기에 인가된 가열 전력을 2개의 값들 사이에서 스위칭시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 주기적인 구형파 신호의 형태의 가열 전력이 가열기에 인가될 수 있다. 예를 들어, DA 변환기는 (예를 들어, 가열기 전압들의 형태로) 2개의 값들을 특정할 수 있다. 2개의 전압들 중 하나가 아날로그 스위치를 이용하여 가열기 증폭기에 교대로 인가될 수 있다. 이러한 특징은, 가열기에 존재하는 가열 전력 및 위상 위치가 각각의 시점에서 정밀하게 결정될 수 있고, 그 결과, 적어도 하나의 센서 신호가 가열기 신호와 매우 정밀하게 비교될 수 있고, 따라서 평가 수단이 매우 정밀한 가스 분석을 수행할 수 있는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은, 적어도 하나의 센서 신호의 최소값 및 적어도 하나의 센서 신호의 최대값이 미리 결정된 값 범위에 있도록 가열 전력의 진폭을 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이것은, 적어도 하나의 센서 신호의 진폭이 적어도 하나의 센서 신호 전체에 대해(예를 들어, 열 가스 센서가 2개의 검출기들 중 적어도 하나를 통해 적어도 하나의 센서 신호를 검출한 전체 시간에 대해) 미리 결정된 값 범위에 있는 것을 보장한다. 예를 들어, 최소값은 적어도 하나의 센서 신호의 최소 진폭을 표현할 수 있고, 최대값은 최대 진폭을 표현할 수 있다. 따라서, 가열 전력의 진폭은 적어도 2회, 예를 들어, 적어도 하나의 센서 신호의 최소값이 미리 결정된 값 범위에 있는지 여부를 검증할 때, 그리고 적어도 하나의 센서 신호의 최대값이 미리 결정된 값 범위에 있는지 여부를 검증할 때 제어될 수 있다. 따라서, 이러한 특징을 이용하여, 적어도 하나의 센서 신호의 적어도 2개의 값들(최소값 및 최대값)이 결정될 수 있고, 가열 전력의 진폭이 그에 기초하여 조정될 수 있으므로, 평가 배열의 정확도가 개선될 수 있다. 따라서, 평가 배열은 매우 정밀한 가스 분석을 수행하도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 미리 결정된 값 범위는 최소값 범위 및 최대값 범위를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 예를 들어, 평가 배열은, 적어도 하나의 센서 신호의 최소값이 미리 결정된 값 범위의 최소값 범위에 있고 적어도 하나의 센서 신호의 최대값이 미리 결정된 값 범위의 최대값 범위에 있도록 가열 전력의 진폭을 제어하도록 구성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 적어도 하나의 센서 신호가 전체 값 범위를 거의 완전히 커버하고 단지 몇몇 정보만이 손실되거나 어떠한 정보도 손실되지 않는 것이 가능하다.
일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 센서 신호의 최소값 및/또는 최대값은 적어도 하나의 센서 신호의 위상 위치 또는 오프셋을 정의할 수 있다.
예를 들어, 미리 결정된 값 범위는 아날로그-디지털 변환기의 동작 범위를 구성할 수 있다. 적어도 하나의 센서 신호의 최소값 및/또는 적어도 하나의 센서 신호의 최대값이 미리 결정된 값 범위 외부에 있다면, 아날로그-디지털 변환기는 적어도 하나의 센서 신호를 정확하게 변환할 수 없으며, 그 결과, 평가 배열은 특정한 상황들 하에서, 가스 농도 또는 열 확산성에 관한 부정확한 정보를 도출한다. 이것은 본 명세서에 설명되는 특성을 통해 방지되거나 감소될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 적어도 하나의 센서 신호의 진폭이 특정된 진폭 범위에 있도록 가열 전력의 진폭을 세팅 또는 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 특정된 진폭 범위(예를 들어, 미리 결정된 값 범위에 의해 결정/정의될 수 있음)는 아날로그-디지털 변환기의 동작 범위를 구성할 수 있다. 적어도 하나의 센서 신호의 진폭은, 적어도 하나의 센서 신호의 의미있는 분석이 평가 배열에 의해 수행될 수 있도록, 특정된 진폭 범위의 적어도 50%, 또는 적어도 65%, 또는 적어도 75%를 이용해야 한다. 선택적으로, 특정된 진폭 범위는 또한, 적어도 하나의 센서 신호의 진폭이 아날로그-디지털 변환기의 값 범위의 적어도 50%, 적어도 65%, 또는 적어도 75%를 이용하는 것으로 정의할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 센서 신호의 진폭이 특정된 진폭 범위 외부에 있다면, 정보는 손실될 수 있고, 가스 농도 또는 열 확산성에 관한 정보의 부정확한 도출이 센서 신호로부터 획득될 수 있다.
유사하게, 적어도 하나의 센서 신호의 진폭이 특정된 진폭 범위의 매우 작은 범위만을 이용하면 문제점들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 이러한 경우 아날로그-디지털 변환기가 완전히 이용되지 않을 수 있으므로, 평가 배열에 의한 분석 품질이 감소된다. 평가 배열에 의한 적어도 하나의 센서 신호의 분석에서의 매우 높은 정확도는 설명된 특징을 통해 보장될 수 있다. 따라서, 아날로그-디지털 변환기가 최적화된 조건들에서 동작할 수 있는 것이 가능하며, 평가 배열에 의한 매우 정밀한 가스 분석이 보장된다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 센서 신호가 샘플링되는 샘플링 시간들을 세팅 또는 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 센서 신호는 프리-프로세싱(pre-process)되고 그리고/또는 DC 오프셋으로 인가되는 센서 신호일 수 있다. 이를 통해, 예를 들어, 평가 배열은, 센서 신호가 미리 결정된 값 범위에 있는 것으로 평가 배열이 예상하는 샘플링 시간들을 세팅할 수 있다. 센서 신호가 미리 결정된 값 범위에 있지 않으면, 평가 배열은 센서 신호를 샘플링 시간에 미리 결정된 값 범위로 가져오기 위해 가열 전력을 가열기에 인가할 수 있다. 따라서, 평가 배열은, 평가 배열이 열 가스 센서에 의해 검출된 가스의 매우 신속하고 정밀한 가스 분석을 수행할 수 있는 최적화된 샘플링 시간들을 세팅 또는 조정하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은, 센서 신호가 최대값에 도달하는 시점(예를 들어, 제1 샘플링 시간)에 샘플링이 수행되도록 그리고 센서 신호가 최소값에 도달하는 시점(예를 들어, 제2 샘플링 시간)에 샘플링이 발생하도록 샘플링 시간들을 세팅하도록 구성된다. 예를 들어, 샘플링은 최대 +/- 0.5%, +/- 1%, +/- 2%, 또는 +/- 5%의 위상 차이로 수행될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 샘플링은 +/- 15 μs, +/- 100 μs, +/- 2.1 ms, +/- 4.2 ms, +/- 6.3 ms 또는 +/- 10 ms의 편차를 갖는 시점에서 수행될 수 있다. 평가 수단이 그러한 정확도로 샘플링 시간들을 세팅할 수 있다는 사실로 인해, 그러한 방식으로 캡처된 최소값 및/또는 최대값이 미리 결정된 값 범위 내에 있는지 여부를 평가 수단이 검증할 수 있는 것이 가능하다. 부가적으로, 센서 신호의 최대값 및 최소값은 다른 가스 타입들의 센서 신호들의 최대값들 및 최소값들과 매우 정밀하게 각각 비교될 수 있으며, 그 결과, 평가 배열은 그러한 방식으로 세팅된 샘플링 시간들을 통해 매우 정밀하고 효율적인 가스 분석을 수행하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 평가 수단은 아날로그-디지털 변환기에 대한 입력 신호를 획득하기 위해, 검출기들 중 적어도 하나로부터의 센서 신호를 디지털-아날로그 변환기에 의해 생성된 오프셋 신호와 조합하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 평가 수단은, 아날로그-디지털 변환기의 입력 신호가 센서 신호의 전체 기간 동안 특정된 범위(예를 들어, 미리 결정된 값 범위) 내에 유지되는 것을 보장하기 위해 오프셋 신호를 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 오프셋 신호는, 아날로그-디지털 변환기의 입력 값이 특정된 상부 임계치 값(예를 들어, 아날로그-디지털 변환기의 최대 프로세싱가능 입력 값의 95%, 90%, 또는 85%)을 초과하는 것을 식별하는 것에 대한 반응으로서, 또는 아날로그-디지털 변환기의 입력 값이 특정된 하부 임계치 값(예를 들어, 아날로그-디지털 변환기의 최대 프로세싱가능 입력 값의 5%, 10%, 또는 15%) 아래로 떨어지는 것을 식별하는 것에 대한 반응으로서 조정될 수 있다.
따라서, 예를 들어, 오프셋 신호는 센서 신호를 특정된 범위로 가져오도록 센서 신호의 오프셋을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 오프셋-시프트된 센서 신호를 구성할 수 있는 입력 신호를 생성하기 위해 오프셋 신호가 평가 수단에 의해 사용될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 따라서, 평가 배열은, 적어도 하나의 센서 신호와 오프셋 신호의 조합에 의해 전체 기간 동안 센서 신호를 특정된 범위로 시프트시킬 수 있다. 예를 들어, 입력 신호가 특정된 범위를 여전히 초과하면, 평가 수단은 전체 기간 동안 적어도 하나의 센서 신호를 특정된 범위 내로 가져오기 위해 가열 전력을 가열기에 인가할 수 있다. 예를 들어, 특정된 범위는 아날로그-디지털 변환기의 동작 범위를 구성할 수 있다. 따라서, 본 명세서에 설명되는 특징을 통해, 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 매우 정밀한 정보가 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있는 평가 수단에 의해 적어도 하나의 센서 신호로부터 도출될 수 있는 것이 가능하다.
일 실시예에 따르면, 평가 수단은, 샘플링 시간들이 정상 상태로 세팅 또는 조정되는 경우에만 그리고 오프셋 신호가 정상 상태로 조정되는 경우 가열 전력을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 정상 상태는, 평가 수단이 가능한 허용오차들 내에서 샘플링 시간들을 결정하고 샘플링 시간들이 추가로 세팅 또는 조정될 필요가 없다는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 정상 상태에서, 샘플링 시간들은 적어도 하나의 센서 신호의 (허용오차들 내의) 최대값 및 (허용오차들 내의) 최소값이 샘플링되도록 조정된다. 부가적으로, 정상 상태는, 평가 수단에 의해 조정되는 오프셋 신호가 센서 신호의 전체 기간 동안 특정된 범위 내에 유지되는 입력 신호를 적어도 하나의 센서 신호와 조합하여 생성하는 것으로 정의할 수 있다. 따라서, 정상 상태는, 적어도 하나의 센서 신호를 매우 정밀하게 분석하고 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보를 도출하기 위해, 평가 수단이 모든 필요한 출력 파라미터들(예를 들어, 샘플링 시간들(및, 예를 들어 그로부터의 센서 신호들의 최대값 및 최소값) 또는 오프셋 신호)을 정밀하게 결정한다는 것을 나타낼 수 있다. 평가 수단에 의해 조정된 가열 전력에 관한 정보 및 평가 수단에 의해 적어도 하나의 센서 신호로부터 도출된 정보로부터, 평가 수단은 가스 센서에 의해 검출된 가스의 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보를 매우 정밀하게 결정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 수단은, 샘플링 시간들이 세팅 또는 조정되고 있는 동안 그리고/또는 오프셋 신호가 조정되고 있는 동안 가열 전력을 제어하는 것을 중지하도록 구성될 수 있다. 이러한 특징을 통해, 샘플링 시간들을 세팅 또는 조정할 때 그리고/또는 오프셋 신호를 조정할 때의 에러들이 감소될 수 있고, 매우 신속하고 효율적인 조정이 가능하며, 그 결과, 평가 수단은 가스 농도 및 열 확산성에 관한 정보를 매우 신속하고 매우 정밀하게 결정하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 가열 전력의 평균 가열 전력 또는 최대 가열 전력 및 진폭을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 주기적인 여기(excitation) 신호가 가열기에 인가될 수 있으므로, 평균 가열 전력은, 예를 들어 여기 신호가 가열기에 인가되는 시간에 걸쳐 전력 평균될 수 있다. 주기적으로 여기된 가열기에서, 가열 전력의 진폭이 변할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 최대 가열 전력은 시간 범위 내에서 가열기의 가열 전력의 최대 진폭에 대응할 수 있다. 대안적으로, 가열 전력의 진폭은 또한 대략 일정할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 가열 전력의 진폭은 시간에 걸쳐 변하도록 제어될 수 있다.
일 실시예는, 적어도 하나의 가열기 및 적어도 하나의 검출기 또는 가열기에 대해 상이한 거리들로 배열된 2개의 검출기들 또는 가열기에 대해 동일한 거리로 배열된 2개의 검출기들을 갖는 열 가스 센서에 대한 평가 배열을 동작시키기 위한 방법을 제공한다. 방법은, 적어도 하나의 센서 신호를 미리 결정된 값 범위로 가져오기 위해 검출기들 중 적어도 하나로부터의 적어도 하나의 센서 신호에 의존하여 가열기에 인가되는 가열 전력을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 부가적으로, 방법은 센서 신호들로부터 가스 농도에 관한 정보를 도출할 때 가열 전력에 관한 정보(예를 들어, Hz.Uss)를 고려하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예는, 프로그램이 컴퓨터 상에서 구동될 때 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
일 실시예는, 적어도 하나의 가열기 및 적어도 하나의 검출기 또는 가열기에 대해 상이한 거리들로 배열된 2개의 검출기들 또는 가열기에 대해 동일한 거리로 배열된 2개의 검출기들을 갖는 열 가스 센서에 대한 평가 배열에 관한 것이다. 평가 배열은 특정된 기간 지속(period duration)을 갖는 주기적인 신호를 가열기에 인가하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 평가 배열은 3개의 샘플링 시간들에서 검출기들 중 하나로부터의 적어도 하나의 센서 신호를 샘플링하도록 구성될 수 있으며, 여기서 제2 샘플링 시간은 제1 샘플링 시간과 비교하여 기간 지속에 관해 90°만큼 시간 시프트되고, 제3 샘플링 시간은 제1 샘플링 시간과 비교하여 기간 지속에 관해 180°만큼 시간 시프트된다. 부가적으로, 평가 배열은, 제1 샘플링 시간, 제2 샘플링 시간, 및 제3 샘플링 시간에서의 센서 신호의 샘플링에 기초하는 3개의 샘플 값들에 기초하여, 제1 샘플 값 또는 제3 샘플 값이 센서 신호의 최대값 및 최소값을 구성하는지 여부를 식별하도록 구성될 수 있다. 샘플링 시간들(예를 들어, 제1 샘플링 시간, 제2 샘플링 시간, 및/또는 제3 샘플링 시간)은 평가 배열에 의해 특정된 샘플링 시간으로부터 +/- 0.5°, +/- 1°, +/- 2°, 또는 +/- 5°의 편차를 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제2 샘플링 시간은 1/4 기간 지속, 5/4 기간 지속, 또는 9/4 기간 지속만큼 제1 샘플링 시간과 비교하여 시간 시프트될 수 있고, 제3 샘플링 시간은 1/2 기간 지속 만큼, 3/2 기간 지속 만큼, 또는 5/2 기간 지속 만큼 제1 샘플링 시간과 비교하여 시간 시프트될 수 있다.
평가 배열의 이러한 실시예는, 적어도 하나의 센서 신호의 아날로그-디지털 변환이 적절한 시점에서 수행되면, 가열기에 대해 상이한 거리들로 배열된 열 가스 센서의 적어도 2개의 검출기들 중 하나에 의해 검출된 적어도 하나의 센서 신호의 진폭이 매우 정밀하게 측정될 수 있다는 발견에 기초한다. 예를 들어, 이것은, 적어도 하나의 센서 신호가 최대값 또는 최소값을 포함하는 시점이다. 평가 배열은, 적어도 하나의 센서 신호의 "제로 크로싱"이 예상되는 제2 샘플링 시간에서 평가 배열이 적어도 하나의 센서 신호를 샘플링함으로써 제1 샘플링 시간 및 제3 샘플링 시간이 부정확하게 선택된다는 것을 식별하도록 구성될 수 있다. 제1 샘플링 시간, 제2 샘플링 시간, 및 제3 샘플링 시간이 정확하면, 평가 배열은 제1 샘플 값 및 제3 샘플 값이 센서 신호의 최대값 및 최소값을 구성하는지 여부를 식별할 수 있다. 따라서, 제2 샘플링 시간은 평가 배열에 대한 이러한 검증을 보장할 수 있다.
부가적으로, 센서 신호들의 값 범위(예를 들어, 최소값 내지 최대값)를 결정하고 그 값 범위가 아날로그-디지털 변환기의 동작 범위에 존재하는지 여부를 검증해서, 센서 신호들이 최적화된 방식으로 분석될 수 있어서, 정보 손실이 거의 없거나 전혀 없는 것이 가능하다. 평가 수단이 결정된 최소값 및 최대값이 값 범위 내에 존재하지 않는다고 주장하면, 평가 배열은 검출기들에 의해 검출된 센서 신호들을 값 범위로 가져오기 위해 가열기에 인가된 주기적인 신호를 적응시키도록 구성될 수 있다.
부가적으로, 최소값 및/또는 최대값의 형태의 샘플링 시간들은 센서 신호들의 매우 정밀하게 정의된 위치들을 구성하며, 그 결과, 가열기의 주기적인 신호와 검출기들 중 적어도 하나로부터의 적어도 하나의 센서 신호 사이의 위상 차이들 및/또는 진폭 차이들은 평가 수단에 의해 매우 정밀하고 쉽고 효율적으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 평가 수단은 그러한 방식으로 결정된 위상 차이들 및 진폭 차이들로부터 매우 정밀한 가스 분석을 수행할 수 있다.
따라서, 예를 들어, 센서 신호(가스를 통해 가열기로부터 전달되어, 2개의 검출기들 중 적어도 하나에 의해 검출된 신호)의 진폭들(예를 들어, 최소값, 최대값)이 제1 샘플링 시간, 제2 샘플링 시간, 및 제3 샘플링 시간의 정밀한 결정을 통해 매우 정밀하게 결정될 수 있다는 사실로 인해, 평가 배열이 열 가스 센서에 의해 검출된 가스의 매우 정밀하고 신속하며 효율적인 가스 분석을 수행할 수 있다는 것을 유의해야 한다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은, 제1 샘플 값 및 제3 샘플 값이 센서 신호의 최대값 및 최소값을 구성하는지 여부를 식별하는 것에 의존하여 샘플링 시간들을 변화시키도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 평가 배열은 샘플링 시간들이 부정확하게 선택되었은지 여부를 식별할 수 있다. 이러한 경우, 제1 샘플 값 및 제3 샘플 값은 센서 신호의 최대값 또는 최소값을 구성하며, 예를 들어, ±0.5°, ±0.7°, 또는 ±1° 미만 그리고/또는 ±10 μs, ±15 μs, 또는 ±20 μs 미만의 샘플링 시간의 편차가 존재하면, 평가 수단은 샘플 값들의 변화가 수행되지 않는다고 판단한다. 따라서, 평가 배열이 매우 정밀하고 신속하며 효율적인 분석을 수행할 수 있을 만큼 충분히 정밀하게 평가 배열에 의해 샘플링 시간들을 보정하고 샘플링 시간들을 세팅하는 것이 가능하다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은, 제1 샘플 값이 센서 신호의 극값, 예를 들어 최대값 또는 최소값을 구성하고, 제3 샘플 값이 센서 신호의 제2 극값, 예를 들어 최소값 또는 최대값을 구성하도록 샘플링 시간들을 세팅 또는 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 샘플 값은 센서 신호의 평균값 또는 DC 컴포넌트(예를 들어, 센서 신호의 제로 크로싱)를 구성할 수 있다. 따라서, 평가 배열은, 적어도 하나의 센서 신호를 샘플링하며, 제1 샘플 값이 센서 신호의 제1 극값을 구성하고 제3 샘플 값이 센서 신호의 제2 극값을 구성할 때까지, 제1 샘플 값 및 제3 샘플 값이 센서 신호의 최대값 또는 최소값을 구성하는지 여부를 검증하도록 구성될 수 있다. 따라서, 이것은, 센서 신호의 진폭이 매우 정밀하게 결정될 수 있도록 평가 배열이 조정되는 것을 보장할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 평가 배열은 열 가스 센서에 의해 검출된 가스의 매우 정밀한 가스 분석을 수행한다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 샘플링 시간들을 세팅 또는 조정할 때, 특정된 임계치 값을 통한 센서 신호의 크로싱의 시점에 관한 정보를 고려하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 특정된 임계치 값은 센서 신호의 DC 컴포넌트 또는 평균값에 대응할 수 있다. 예를 들어, 특정된 임계치 값을 통한 센서 신호의 크로싱 시간은 제2 샘플링 시간에 대응할 수 있다. 예를 들어, 특정된 임계치 값은 센서 신호의 "제로 크로싱"을 정의할 수 있으며, 여기서 "제로 크로싱"에는 오프셋이 제공될 수 있다. 예를 들어, 평가 배열이 특정된 임계치 값을 통한 센서 신호의 크로싱의 시점에 관한 정보를 나머지 2개의 샘플링 시간들(예를 들어, 제1 샘플링 시간 및 제3 샘플링 시간)과 조합하면, 평가 배열은 제1 샘플 값 및 제3 샘플 값이 센서 신호의 최대값 및 최소값에 대응하는지 여부를 신속하고 쉽게 검증 또는 식별할 수 있다. 따라서, 샘플링 시간들은 평가 배열에 의해 매우 정밀하고 정확하게 결정될 수 있으며, 그 결과, 평가 배열에 의한 매우 정밀한 가스 분석이 가능하다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은, 제2 샘플링 시간의 제2 샘플 값이 제1 샘플링 시간의 제1 샘플 값과 제3 샘플링 시간의 제3 샘플 값의 평균값과 동일한지 여부를 검증하고, 검증에 의존하여, 제1 샘플 값 및 제3 샘플 값이 샘플 신호의 최대값 및/또는 최소값을 구성하는지 여부를 식별하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제2 샘플 값은 제1 샘플 값과 제3 샘플 값 사이의 차이의 최대 ±0.5%, ±1%, 또는 ±5%의 허용오차로 평균값으로부터 벗어날 수 있다. 이러한 특징은, 제1 샘플 값 및 제3 샘플 값이 센서 신호의 최대값 또는 최소값에 대응하는지 여부를 평가 배열이 제2 샘플링 시간의 도움으로 식별하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 평가 배열의 가능한 에러들은, 제1 샘플 값, 제2 샘플 값 및 제3 샘플 값을 결정할 때 감소될 수 있으며, 매우 정밀한 가스 분석이 수행될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 주기적인 구형파 신호, 또는 바람직하게는 50%의 듀티 사이클을 가진 정의된 전력을 갖는 임펄스를 가열기에 인가하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 듀티 사이클은 5 내지 50%의 범위에 있을 수 있다. 여기서, 예를 들어 ±1%, ±2%, 또는 ±5%의 듀티 사이클의 허용오차가 가능하다. 일 실시예에 따르면, 평가 배열은 가열기의 가열 전력을 적응시키기 위해 가열기의 고정된 동작 전압에서 듀티 사이클을 변화시키도록 구성될 수 있다. 이것은, 평가 배열이 듀티 사이클을 통해 매우 정밀한 가열기 신호를 결정할 수 있고, 가열기 신호에 대응하는 적어도 하나의 센서 신호의 샘플링 시간들을 결정함으로써(그에 따라, 예를 들어, 가열기 신호는 가스를 통해 검출기들로 전달되어, 센서 신호로서 검출기에 의해 검출됨) 가스가 매우 정밀하게 측정될 수 있는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은, 아날로그-디지털 변환기에 대한 입력 신호를 획득하기 위하여 디지털-아날로그 변환기에 의해 생성된 오프셋 신호와 검출기들 중 적어도 하나로부터의 센서 신호를 조합하고, 아날로그-디지털 변환기의 입력 신호가 센서 신호의 전체 기간 동안 특정된 범위(예를 들어, 값 범위) 내에 유지되는 것을 보장하기 위해 오프셋 신호을 조정하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 평가 배열은, 오프셋 신호를 조정한 이후 샘플링 시간들을 조정하고, 샘플링 시간들의 변화 이후, 샘플링 시간들의 변화된 세팅으로 획득된 샘플 값들이 여전히 특정된 범위 내에 있는지 여부에 관한 검증을 다시 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 아날로그-디지털 변환기는 샘플링 시간들에 존재하는 신호 값들을 디지털화하고, 따라서 센서 신호를 샘플링한다. 예를 들어, 평가 수단은, 아날로그-디지털 변환기의 입력 값이 특정된 상부 임계치 값(예를 들어, 아날로그-디지털 변환기의 최대 프로세싱가능 입력 값의 95%, 90%, 또는 85%)을 초과하는 것을 검출하는 것에 대한 반응으로서, 또는 아날로그-디지털 변환기의 입력 값이 특정된 하부 임계치 값(예를 들어, 아날로그-디지털 변환기의 최대 프로세싱가능 입력 값의 5%, 10%, 또는 15%) 아래로 떨어지는 것을 검출하는 것에 대한 반응으로서 오프셋 신호를 조정할 수 있다. 예를 들어, 샘플링 시간들은 오프셋 신호을 조정한 이후 샘플링 시간들을 추적하는 맥락에서 조정될 수 있다. 예를 들어, 오프셋 신호를 사용하는 것은, 센서 신호와 오프셋 신호의 조합된 입력 신호가 특정된 범위 내에 유지되는 것을 달성할 수 있으며, 예를 들어 여기서, 특정된 범위는 캡처될 수 있는 아날로그-디지털 변환기의 제한(예를 들어, 아날로그-디지털 변환기의 동작 범위)으로서 정의될 수 있다. 예를 들어, 오프셋 신호는 센서 신호를 증폭시키거나 감소시킬 수 있으며, 따라서, 아날로그-디지털 변환기의 최적의 동작 범위 또는 동작 윈도우에(예를 들어, 특정된 범위에) 센서 신호를 (예를 들어, 전체 기간 동안) 계속 유지시킬 수 있다.
아날로그-디지털 변환기의 입력 신호가 센서 신호의 전체 기간 동안 유지될 특정된 범위는 센서 신호의 진폭에 대한 그리고 센서 신호의 오프셋에 대한 특정된 범위를 정의할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 오프셋 신호는 센서 신호의 오프셋을 아날로그-디지털 변환기의 특정된 범위로 가져갈 뿐만 아니라 그것은, 입력 신호가 진폭에 관해, 특정된 범위의 큰 부분을 채용하는 진폭을 포함하도록 센서 신호의 진폭을 제어할 수 있다. 평가 배열이 샘플링 시간들 동안 변화되면, 샘플링 시간들은 획득된 샘플 값들(또는 아날로그/디지털 변환기의 입력 값들)을 이용하여 다시 검증된다. 예를 들어, 획득된 샘플 값들이 위치될 특정된 범위는 특정된 하부 임계치 값과 특정된 상부 임계치 값 사이에 있을 수 있다. 선택적으로, 평가 배열은 필요에 따라, 획득된 샘플 값들을 다시 검증한 이후 가열기의 가열 전력 및/또는 오프셋 신호를 재조정하도록 구성될 수 있다. 따라서, 센서 신호가, 예를 들어 아날로그-디지털 변환기의 최적의 동작 범위(특정된 범위)를 채용할 수 있는 입력 신호로 오프셋 신호와 함께 변환되므로, 평가 배열은 센서 신호가 아날로그-디지털 변환기에 의해 매우 정밀하게 분석될 수 있는 것을 가능하게 한다. 이것은 평가 배열을 이용하여 매우 정밀한 가스 분석을 수행하는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은, 적어도 하나의 센서 신호를 미리 결정된 값 범위로 가져오기 위해 검출기들 중 적어도 하나로부터의 적어도 하나의 센서 신호에 의존하여 가열기에 인가되는 가열 전력을 제어하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 평가 배열은, 센서 신호들로부터 가스 농도에 관한 정보를 도출할 때 가열 전력에 관한 정보(예를 들어, Hz.Uss)를 고려하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 평가 배열은, 센서 신호의 진폭이 미리 결정된 값 범위로 가져가질 수 있도록 가열 전력을 제어하도록 구성될 수 있다. 여기서, 진폭은 센서 신호의 최소값 및/또는 최대값, 또는 최대값과 최소값의 차이일 수 있다. 예를 들어, 센서 신호가 매우 낮은 진폭을 가지면, 검출기에 의해 검출된 센서 신호가 적어도 미리 결정된 값 범위 전체를 대략적으로 커버하는 진폭을 포함하도록, 가열 전력이 평가 배열에 의해 가열기에 인가될 수 있다. 예를 들어, 미리 결정된 값 범위는, 센서 신호가 평가 배열에 의해 프로세싱될 수 있는 아날로그-디지털 변환기의 동작 범위를 구성할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 적어도 하나의 센서 신호가 아날로그-디지털 변환기의 동작 범위의 적어도 70%, 75%, 또는 80%를 채용하도록, 평가 배열은 가열 전력을 가열기에 인가할 수 있다. 평가 배열은 가열 전력에 관한 정보에 의존하여 그리고 센서 신호에 관한 정보에 의존하여, 센서 신호의 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 가열 전력에 관한 정보는 가열 전력의 진폭, 가열 전력의 위상, 및/또는 가열 전력의 오프셋을 정의할 수 있다. 예를 들어, 센서 신호에 관한 정보는 센서 신호의 진폭, 센서 신호의 위상, 및/또는 센서 신호의 오프셋을 정의할 수 있다. 따라서, 가스는 평가 배열을 이용하여 매우 정밀하게 분석될 수 있다.
일 실시예는, 적어도 하나의 가열기 및 가열기에 대해 상이한 거리들로 배열된 2개의 검출기들을 갖는 열 가스 센서를 동작시키기 위한 방법을 제공한다. 방법은 특정된 기간 지속을 갖는 주기적인 신호를 가열기에 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 센서 신호는 3개의 시점들에서 검출기들 중 하나에 의해 샘플링될 수 있으며, 여기서 제2 샘플링 시간은 (즉, 1/4 기간 지속, 5/4 기간 지속, 또는 9/4 기간 지속 만큼) 제1 샘플링 시간과 비교하여 기간 지속에 관해 90°만큼 시간-시프트될 수 있고(예를 들어, +/- 2% 또는 +/- 2°), 제3 샘플링 시간은 (즉, 1/2 기간 지속, 3/2 기간 지속, 또는 5/2 기간 지속 만큼) 제1 샘플링 시간과 비교하여 기간 지속에 관해 180°만큼 시간-시프트될 수 있다(예를 들어, +/- 2% 또는 +/- 2°). 제1 샘플링 시간, 제2 샘플링 시간, 및 제3 샘플링 시간에서 센서 신호를 샘플링하는 것에 기초하는 3개의 샘플 값들에 기초하여, 제1 샘플 값 및 제3 샘플 값이 (예를 들어, DC 오프셋을 제외하고) 센서 신호의 최대값 또는 최소값을 구성하는지 여부가 (예를 들어, 평가 배열에 의해) 식별될 수 있다. 센서 신호의 최대값 및 최소값을 구성하는 제1 샘플 값 및 제3 샘플 값은, 제1 샘플 값이 최대값을 구성하고 제3 샘플 값이 최소값을 구성하며, 또는 예를 들어, 제1 샘플 값이 최소값을 구성하고 제3 샘플 값이 최대값을 구성한다는 것을 나타낼 수 있다(이것은 본 명세서에 설명되는 모든 실시예들에 적용됨).
일 실시예는, 프로그램이 컴퓨터 상에서 구동될 때 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
일 실시예는, 적어도 하나의 가열기 및 적어도 하나의 검출기를 갖는 열 가스 센서에 대한 평가 배열에 관한 것이다. 평가 배열은, 적어도 하나의 검출기로부터의 적어도 하나의 센서 신호를 미리 결정된 값 범위로 가져오기 위해 적어도 하나의 센서 신호에 의존하여 가열기에 인가되는 가열 전력을 제어하도록 구성된다. 또한, 평가 배열은, 적어도 하나의 센서 신호로부터 가스 농도에 관한 정보를 도출할 때 가열 전력에 관한 정보를 고려하도록 구성되며, 평가 배열은 가스 농도에 관한 정보를 도출하기 위해 적어도 하나의 센서 신호와 가열기의 신호 사이의 위상 차이 및/또는 진폭 차이 및/또는 오프셋 차이를 이용하도록 구성될 수 있다.
일 실시예는 적어도 하나의 가열기 및 적어도 하나의 검출기를 갖는 열 가스 센서에 대한 평가 배열을 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은, 센서 신호를 미리 결정된 값 범위로 가져오기 위해 적어도 하나의 검출기로부터의 적어도 하나의 센서 신호에 의존하여 가열기에 인가되는 가열 전력을 제어하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은, 적어도 하나의 센서 신호로부터 가스 농도에 관한 정보를 도출할 때 가열 전력에 관한 정보를 고려하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은 적어도 하나의 센서 신호와 가열기의 신호 사이의 위상 차이 및/또는 진폭 차이 및/또는 오프셋 차이는 가스 농도에 관한 정보를 도출하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예들은 첨부한 도면들을 참조하여 더 상세히 후속하여 설명된다. 예시된 개략적인 도면들에 관해, 예시된 기능 블록들이 본 발명의 장치 및 본 발명의 방법의 대응하는 방법 단계들의 엘리먼트들 또는 특징부들인 것으로 이해될 수 있으며, 본 발명의 방법의 대응하는 방법 단계들이 그로부터 도출될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 가스 센서에 대한 평가 배열의 개략적인 예시를 도시한다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가열 전력의 제어를 갖는 열 가스 센서에 대한 평가 배열의 개략적인 예시를 도시한다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 3개의 시점들에서 센서 신호를 샘플링하는 열 가스 센서에 대한 평가 배열의 개략적인 예시를 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 광 현미경 내의 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 주사형 전자 현미경 내의 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서에 대한 마이크로 브리지의 주사형 전자 현미경 이미지의 일 섹션의 개략적인 예시를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제2 단절부(discontinuation)의 가열기에 수직인 팽창과는 상이한, 가열기에 수직인 팽창을 갖는 제1 단절부를 가진 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 복수의 단절부들을 각각 갖는 제1 단절 영역 및 제2 단절 영역을 가진 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 단절 영역 및 제2 단절 영역에서 동일한 수의 단절부들을 갖는 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 단절 영역에서는 다수의 단절부들을 그리고 제2 단절 영역에서는 단일 단절부를 갖는 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 개략적인 예시를 도시하며, 여기서 제1 단절 영역 내의 다수의 단절부들은 제2 단절 영역 내의 다수의 단절부들과는 상이한, 가열기에 수직인 팽창을 포함한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 원리의 개략적인 예시를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서에서의 열 전달의 개략적인 예시를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서의 가열기 신호, 제1 센서 신호, 및 제2 센서 신호의 다이어그램을 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서에 대한 가열기를 구동시키는 개략적인 예시를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서의 센서 신호를 평가하기 위한 회로의 개략적인 예시를 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 제어의 개략적인 예시를 도시한다.
도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서의 센서 신호를 분석하기 위한 방법의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 샘플링 시간들을 추적하면서 가스 센서의 센서 신호를 평가하기 위한 방법의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서의 2개의 센서 신호들과 가열기 신호 사이에서의 위상 시프트의 다이어그램을 도시한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서의 적어도 하나의 센서 신호의 진폭들의 다이어그램을 도시한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른, 압력의 함수로서의 가스 센서의 제1 센서 신호와 제2 센서 신호 사이에서의 위상 시프트들의 다이어그램을 도시한다.
도 17a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 주파수의 함수로서의 가스 센서의 센서 신호의 위상 시프트의 다이어그램을 도시한다.
도 17b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 주파수의 함수로서의 가스 센서의 센서 신호의 진폭의 다이어그램을 도시한다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른, 질소 농도의 함수로서의 가스 센서의 제1 센서 신호, 제2 센서 신호, 및 가열기 신호의 위상 시프트들의 다이어그램을 도시한다.
도 18는 본 발명의 일 실시예에 따른, 질소 농도의 함수로서의 가스 센서의 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호의 진폭의 다이어그램을 도시한다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른, 상이한 가스 혼합물들에 대한 가스 센서의 조합 신호의 다이어그램을 도시한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른, CO2 농도의 함수로서의 가스 센서의 조합 신호의 다이어그램을 도시한다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른, 압력의 함수로서의 가스 센서의 조합 신호의 다이어그램을 도시한다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서에 대한 가스 압력과 가스 온도 사이의 관계의 다이어그램을 도시한다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서의 조합 신호를 생성하기 위한 방법의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른, 센서의 조합 신호의 함수로서의 열 확산성의 다이어그램을 도시한다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 가스 혼합물에 대한 가열 기간 동안의 가열기 내의 전류 흐름의 다이어그램을 도시한다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제2 가스 혼합물에 대한 가열 기간 동안의 가열기 내의 전류 흐름의 다이어그램을 도시한다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제3 가스 혼합물에 대한 가열 기간 동안의 가열기 내의 전류 흐름의 다이어그램을 도시한다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른, 상이한 가스 혼합물들에 대한 상이한 위상 정보의 다이어그램을 도시한다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른, 상이한 가스 혼합물들에 대한 상이한 진폭 정보의 다이어그램을 도시한다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른, 상이한 가스 혼합물들에 대한 조합 신호의 다이어그램을 도시한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 가스 센서에 대한 평가 배열의 개략적인 예시를 도시한다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가열 전력의 제어를 갖는 열 가스 센서에 대한 평가 배열의 개략적인 예시를 도시한다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 3개의 시점들에서 센서 신호를 샘플링하는 열 가스 센서에 대한 평가 배열의 개략적인 예시를 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 광 현미경 내의 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 주사형 전자 현미경 내의 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서에 대한 마이크로 브리지의 주사형 전자 현미경 이미지의 일 섹션의 개략적인 예시를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제2 단절부(discontinuation)의 가열기에 수직인 팽창과는 상이한, 가열기에 수직인 팽창을 갖는 제1 단절부를 가진 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 복수의 단절부들을 각각 갖는 제1 단절 영역 및 제2 단절 영역을 가진 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 단절 영역 및 제2 단절 영역에서 동일한 수의 단절부들을 갖는 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 단절 영역에서는 다수의 단절부들을 그리고 제2 단절 영역에서는 단일 단절부를 갖는 가스 센서의 개략적인 예시를 도시한다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 개략적인 예시를 도시하며, 여기서 제1 단절 영역 내의 다수의 단절부들은 제2 단절 영역 내의 다수의 단절부들과는 상이한, 가열기에 수직인 팽창을 포함한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 원리의 개략적인 예시를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서에서의 열 전달의 개략적인 예시를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서의 가열기 신호, 제1 센서 신호, 및 제2 센서 신호의 다이어그램을 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서에 대한 가열기를 구동시키는 개략적인 예시를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서의 센서 신호를 평가하기 위한 회로의 개략적인 예시를 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 제어의 개략적인 예시를 도시한다.
도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서의 센서 신호를 분석하기 위한 방법의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 샘플링 시간들을 추적하면서 가스 센서의 센서 신호를 평가하기 위한 방법의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서의 2개의 센서 신호들과 가열기 신호 사이에서의 위상 시프트의 다이어그램을 도시한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서의 적어도 하나의 센서 신호의 진폭들의 다이어그램을 도시한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른, 압력의 함수로서의 가스 센서의 제1 센서 신호와 제2 센서 신호 사이에서의 위상 시프트들의 다이어그램을 도시한다.
도 17a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 주파수의 함수로서의 가스 센서의 센서 신호의 위상 시프트의 다이어그램을 도시한다.
도 17b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 주파수의 함수로서의 가스 센서의 센서 신호의 진폭의 다이어그램을 도시한다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른, 질소 농도의 함수로서의 가스 센서의 제1 센서 신호, 제2 센서 신호, 및 가열기 신호의 위상 시프트들의 다이어그램을 도시한다.
도 18는 본 발명의 일 실시예에 따른, 질소 농도의 함수로서의 가스 센서의 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호의 진폭의 다이어그램을 도시한다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른, 상이한 가스 혼합물들에 대한 가스 센서의 조합 신호의 다이어그램을 도시한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른, CO2 농도의 함수로서의 가스 센서의 조합 신호의 다이어그램을 도시한다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른, 압력의 함수로서의 가스 센서의 조합 신호의 다이어그램을 도시한다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서에 대한 가스 압력과 가스 온도 사이의 관계의 다이어그램을 도시한다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 센서의 조합 신호를 생성하기 위한 방법의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른, 센서의 조합 신호의 함수로서의 열 확산성의 다이어그램을 도시한다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 가스 혼합물에 대한 가열 기간 동안의 가열기 내의 전류 흐름의 다이어그램을 도시한다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제2 가스 혼합물에 대한 가열 기간 동안의 가열기 내의 전류 흐름의 다이어그램을 도시한다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제3 가스 혼합물에 대한 가열 기간 동안의 가열기 내의 전류 흐름의 다이어그램을 도시한다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른, 상이한 가스 혼합물들에 대한 상이한 위상 정보의 다이어그램을 도시한다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른, 상이한 가스 혼합물들에 대한 상이한 진폭 정보의 다이어그램을 도시한다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른, 상이한 가스 혼합물들에 대한 조합 신호의 다이어그램을 도시한다.
본 발명의 실시예들이 도면들에 기초하여 후속하여 설명되기 전에, 동일하거나 기능적으로 동일하거나 동일한 효과를 갖는 엘리먼트들, 오브젝트들, 및/또는 구조들이 동일하거나 유사한 참조 번호들로 상이한 도면들에서 제공되므로, 상이한 실시예들에 예시된 이들 엘리먼트들의 설명이 서로 상호교환가능하거나 적용가능할 수 있다는 것을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(100)의 개략적인 예시를 도시한다. 가스 센서(100)는 멤브레인(110)(예를 들어, 박층 멤브레인), 가열 엘리먼트(120), 제1 열 엘리먼트 구조(130), 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 가스 센서는 제1 열 엘리먼트 구조(130) 또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)만을 포함할 수 있다. 멤브레인(110)은 프레임(150)에 의해 펼쳐질(spread out) 수 있으며, 제1 단절 영역(160) 및 제2 단절 영역(170)을 포함할 수 있다. 멤브레인(110)의 제1 단절 영역(160)은 적어도 하나의 단절부(162)를 포함할 수 있고, 멤브레인(110)의 제2 단절 영역(170)은 또한 적어도 하나의 단절부(172)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가열 엘리먼트(120)는 멤브레인(110)의 제1 단절 영역(160)과 제2 단절 영역(170) 사이에서 멤브레인(110) 상에 자체-지지 브리지 구조로서 배열될 수 있다. 제1 열 엘리먼트 구조(130)는 핫 단부(hot end)(132) 및 콜드 단부(cold end)(134)를 포함할 수 있다. 제1 열 엘리먼트 구조(130)의 핫 단부(132)는 가열 엘리먼트(120)에 대향하는 제1 단절 영역(160)의 측부 상의 멤브레인(110) 상에 배열될 수 있다. 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 핫 단부(142) 및 콜드 단부(144)를 포함할 수 있다. 핫 단부(142)는 가열 엘리먼트(120)에 대향하는 제2 단절 영역(170)의 측부 상의 멤브레인(110) 상에 배열될 수 있다.
멤브레인(110)은 200 nm 내지 4000 nm, 300 nm 내지 3000 nm, 400 nm 내지 2000 nm, 또는 1 μm 내지 10 μm의 두께를 갖는 박층 멤브레인일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전체 멤브레인의 두께는 대략 2 μm이다(예를 들어, 그것은 수 개의 멤브레인 층들, 센서 층들, 및 패시베이션(passivation) 층들로 이루어짐). 예를 들어, 멤브레인 층은 Si 산화물 및/또는 Si 질화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 즉 가열 엘리먼트(120), 제1 열 엘리먼트 구조(130), 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)가 배열되는 멤브레인(110)의 표면에 수직인 시트(sheet) 평면으로의 멤브레인(110)의 팽창이 두께로서 정의될 수 있다. 멤브레인(110)은 전도성 재료, 절연 재료, 또는 반도체 재료를 포함할 수 있으며, 여기서 재료는, 예를 들어 5 W/(m*K) 미만, 100 mW/(m*K) 미만, 또는 50 mW/(m*K) 미만의 매우 낮은 열 전도율을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적응된 기본 도핑을 갖는 반도체는 간단한 5 마스크 MEMS 프로세스에서 멤브레인(110)을 제조하기 위한 비용-효율적인 기판으로서 기능할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 가열 엘리먼트(120)(다음에서, 가열 엘리먼트(120)는 또한 가열기로 지칭될 수 있음)는 자체-지지 브리지 구조를 형성할 수 있고 그리고/또는 와이어를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 가열 엘리먼트(120)는 프레임(150)의 일 측으로부터 프레임(150)의 대향 측으로 펼쳐질 수 있다. 예를 들어, 전압이 가열 엘리먼트(120)에 인가될 수 있으며, 그 결과, 가열 엘리먼트(120)는, 예를 들어 제1 단절 영역(162) 및/또는 제2 단절 영역(172)에 위치된 분석될 가스에 가열 전력을 송신할 수 있다. 예를 들어, 가열 엘리먼트(120)에 인가되는 전압은 정현파 신호 또는 주기적인 구형파 신호와 같은 주기적인 전압 신호일 수 있다. 따라서, 예를 들어, 가열 엘리먼트(120)는 주기적인 가열기 신호(예를 들어, 가열 전력)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 가열기 신호는, 예를 들어 제1 단절부(162) 또는 제2 단절부(172)에 위치된 가스를 통해 그리고/또는 멤브레인(110)을 통해 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)에 송신될 수 있다.
예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 구불구불하게-형성(meander-shaped)되도록 구성되며, 이들은, 예를 들어 직렬로 연결되고 써모파일을 형성하는 열 엘리먼트들에 대응할 수 있다. 따라서, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 검출기로서 기능할 수 있으며, 여기서 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)는, 예를 들어 가열기 신호를 검출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 멤브레인(110) 상에 전체적으로 배열될 수 있거나, 또는 멤브레인(110) 상에 적어도 부분적으로 그리고 프레임(150) 상에 적어도 부분적으로 배열될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 프레임(150)의 온도가 비교 온도로서 사용될 수 있고(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130)의 콜드 단부들(134)이 여기에 배열될 수 있고 그리고/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)의 콜드 단부들(144)이 여기에 배열될 수 있음), 멤브레인(110) 상에 배열된 열 엘리먼트 구조의 일부(예를 들어, 핫 단부들(132, 142))는 측정 온도(예를 들어, 가열기 신호)를 검출할 수 있다. 예를 들어, 핫 단부들(132, 142) 및 콜드 단부들(134, 144)은 전도체를 통해 연결된다. 따라서, 예를 들어, 제1 재료를 포함하는 전도체는 제1 콜드 단부를 제1 핫 단부에 연결시킬 수 있고, 제2 재료를 포함하는 제2 전도체는 제1 핫 단부를 제2 콜드 단부에 연결시킬 수 있다. 제1 전도체 및 제2 전도체의 이러한 연결은, 예를 들어 써모파일을 형성하도록 직렬로 연결될 수 있고, 그에 따라 예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)를 구성할 수 있는 열 엘리먼트를 구성할 수 있다. 따라서, 예를 들어, (예를 들어, 비교 온도와 측정 온도 사이의) 온도 차이가 이들 전도체들을 따라 발생할 수 있으며, 그 결과, 예를 들어 전기 전압이 금속 전도체의 단부들(예를 들어, 핫 단부들 및/또는 콜드 단부들)에서 유도될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 열을 전기 에너지로 변환하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 와이어 또는 자체-지지 브리지 구조일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 멤브레인(110)은, 멤브레인 재료의 온도 팽창 계수 및/또는 열 전도율이 캐리어 재료의 온도 팽창 계수 및/또는 열 전도율로부터 벗어나도록 구현되는 캐리어 재료로 제조된 프레임(150)에 의해 펼쳐질 수 있다. 프레임(150)은, 예를 들어 멤브레인(110)이 함께 운반될 수 있는 캐리어 재료 또는 기판 재료를 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 비교 온도가 프레임(150)에서 세팅될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프레임(150) 및 멤브레인(110)은 또한 동일한 열 팽창 계수를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 멤브레인(110)은 프레임(150)보다 낮은 열 전도율을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 예를 들어 멤브레인(110)은 특히, 가열기 신호가 멤브레인(110)을 통하는 대신 주로, (예를 들어, 제1 단절부(162) 및/또는 제2 단절부(172)에 배열된) 분석될 가스를 통해 가열 엘리먼트(120)로부터 제1 열 엘리먼트 구조(130)로 그리고/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)로 송신되도록 매우 낮은 열 전도율을 포함해야 한다. 따라서, 예를 들어, 멤브레인(110)을 통한 열 전달은 억제되거나, 감소되거나, 느려질 수 있다.
따라서, 멤브레인(110)은 가열 엘리먼트(120)로부터 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)로의 기생 열 전도를 억제하도록 구성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 멤브레인(110)을 통해 가열 엘리먼트(120)로부터 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)로 열이 거의 전도되지 않거나 어떠한 열도 전도되지 않도록 그리고 열의 대부분 또는 전체 열이 분석될 가스를 통해 전도되도록 멤브레인(110)의 열 전도율이 선택될 수 있다.
반면에, 멤브레인(110)을 홀딩(hold)하는 프레임(150)의 캐리어 재료의 열 전도율은 매우 높을 수 있다. 따라서, 예를 들어, 150 W/(m*K)의 열 전도율을 갖는 실리콘이 캐리어 재료로서 사용될 수 있다. 따라서, 캐리어 재료는 열 싱크(heat sink)로서 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 멤브레인 상에 부분적으로, 예를 들어 핫 단부들(132, 142)와 배열되고, 캐리어 재료 상에 적어도 부분적으로, 예를 들어 콜드 단부들(134, 144)과 배열되며, 그 결과, 온도 차이가 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140) 내에서 발생할 수 있고, 그의 도움으로, 가열 엘리먼트(120)로부터 개개의 열 엘리먼트 구조(130, 140)로의 열 전달이 검출될 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따르면, 제1 열 엘리먼트 구조(130)의 콜드 단부들 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)의 콜드 단부들은 프레임(150)의 캐리어 재료 상에 배열될 수 있다. 예를 들어, 이들은 멤브레인(110)이 캐리어 재료에 의해 운반되는 곳에 위치된다.
일 실시예에 따르면, 멤브레인(110)의 제1 단절 영역(160)은 연속적인 단절부(162)를 포함할 수 있으며, 그 단절부의 길이방향 팽창(164)은 제1 열 엘리먼트 구조(130)와 가열 엘리먼트(120) 사이의 영역을 완전히 커버할 만큼 충분히 크다. 멤브레인(110)의 제2 단절 영역(170)은 연속적인 단절부(172)를 포함할 수 있으며, 그 단절부의 길이방향 팽창(174)은 제2 열 엘리먼트 구조(140)와 가열 엘리먼트(120) 사이의 영역을 완전히 커버할 만큼 충분히 크다. 따라서, 예를 들어, 길이방향 팽창(164, 174)은 가열 엘리먼트(120)의 전체 길이만큼 크고 그리고/또는 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)의 전체 길이만큼 적어도 크다. 따라서, 이것은, 가열 엘리먼트(120)로부터 제1 열 엘리먼트 구조(130) 또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)로 멤브레인(110)을 통해 가능한 적은 열을 송신하는 것을 가능하게 하지만, 대부분은 제1 단절 영역(160) 내의 제1 단절부(162) 및/또는 제2 단절 영역(170) 내의 제2 단절부(172)에서 가스를 통해 송신된다.
일 실시예에 따르면, 제1 단절 영역(160)의 적어도 하나의 단절부(162)의 측방향 팽창(166)은 제2 단절 영역(170)의 적어도 하나의 단절부(172)의 측방향 팽창(176)과는 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 단절부(162) 및 제2 단절부(172)의 측방향 팽창(166, 176)은 각각, 가열 엘리먼트(120)의 최대 팽창 방향에 수직인 방향 또는 가열 엘리먼트(120)로부터 개개의 열 엘리먼트 구조(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140))로의 방향으로 지향될 수 있다. 예를 들어, 도 1a에 따르면, 제1 단절부(162) 및 제2 단절부(172)는 동일한 측방향 팽창(166, 176)을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제1 단절부(162)는, 제1 단절부(162)가 제1 단절 영역(160)의 팽창들에 대응하도록 길이방향 팽창(164) 및 측방향 팽창(166)을 포함할 수 있다. 유사하게, 예를 들어 제2 단절부(172)는, 제2 단절부(172)가 제2 단절 영역(170)의 팽창들에 대응하도록 길이방향 팽창(174) 및 측방향 팽창(176)을 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 전체 제1 단절 영역(160)은 제1 단절부(162)를 구성할 수 있고, 전체 제2 단절 영역(170)은 단절부(172)를 구성할 수 있다.
선택적으로, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)의 콜드 단부들(134, 144)의 측부 상에서, 멤브레인(110)은 제3 및/또는 제4 단절 영역을 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130)는 제1 단절 영역(160)과 제3 단절 영역 사이에서 와이어의 형태로 또는 자체-지지 브리지 구조로서 배열될 수 있고, 그리고/또는, 예를 들어 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 제2 단절 영역(170)과 제4 단절 영역 사이에서 와이어로서 또는 자체-지지 브리지 구조로서 배열될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 분석될 가스에 의해 2개의 측부들로부터 둘러싸일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 열 엘리먼트 구조(130)는 제2 열 엘리먼트 구조(140)와는 상이한, 가열 엘리먼트(120)에 대한 거리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1a에서, 제1 열 엘리먼트 구조(130)는 제2 열 엘리먼트 구조(140)와 동일한, 가열 엘리먼트(120)에 대한 거리를 포함한다. 가열 엘리먼트(120)로부터 제1 열 엘리먼트 구조(130)로 제1 단절부(162)를 통해 그리고/또는 가열 엘리먼트(120)로부터 제2 열 엘리먼트 구조(140)로 제2 단절부(172)를 통해 가열기 신호를 송신할 때, 가열 엘리먼트로부터, 제1 단절부(162) 및/또는 제2 단절부(172)에 배열된 분석될 가스로의 그리고 가스로부터 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)로의 알려지지 않은 열 전달들이 발생할 수 있다. 예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130)에 의해 검출된 가열 엘리먼트(120)로부터의 가열기 신호는 제1 센서 신호로 지칭될 수 있고, 예를 들어, 제2 열 엘리먼트 구조(140)에 의해 검출된 가열 엘리먼트(120)로부터의 가열기 신호는 제2 센서 신호로서 지칭될 수 있다.
예를 들어, 제1 센서 신호 및/또는 제2 센서 신호는 2개의 알려지지 않은 열 전이들(예를 들어, 가열 엘리먼트 -> 가스, 가스 -> 열 엘리먼트 구조) 및 분석될 가스를 통한 열 전달을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130)가 제2 열 엘리먼트 구조(140)와는 상이하게 가열 엘리먼트(120)로부터 이격되면, 가스 센서는 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호로부터 차이 신호를 생성할 수 있으며, 예를 들어 여기서, 알려지지 않은 열 전이들(제1 센서 신호 및 제2 센서 신호는 동일한 열 전이들을 포함할 수 있음)은 차감될 수 있고, 따라서 차이 신호는 단지 또는 큰 부분으로는, 가열 엘리먼트(120)로부터 개개의 열 엘리먼트 구조(130, 140)로의 분석될 가스를 통한 열 전달을 포함하지만, 알려지지 않은 열 전달들을 포함하지 않거나 또는 단지 매우 작은 부분으로만 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제1 단절 영역(160) 및 제2 단절 영역(170)은, (예를 들어, 나머지 멤브레인 재료(110)에 의해) 그리드 구조가 (예를 들어, 제1 단절 영역(160) 또는 제2 단절 영역(170)에서) 생성되도록 배열될 수 있는 수 개의 단절부들(예를 들어, 단절부(162) 및 단절부(1621), 또는 단절부(172) 및 단절부(1721))을 포함할 수 있으며, 여기서 단절부들은 가열 엘리먼트(120)에 평행하게 행(row)들로 배열되고, 행들은 서로 오프셋되도록 배열된다. 이러한 경우, 단절 영역(160, 170) 내의 단절부들은 길이방향 팽창(164, 174) 및 측방향 팽창(166, 176)에 관해 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 도 1a에 따르면, 제1 단절 영역(160)의 단절부(1621)는 단절부(162)의 길이방향 팽창(164)보다 작은 길이방향 팽창을 포함한다. 유사하게, 제2 단절 영역(170)의 단절부(1721)는 단절부(172)의 길이방향 팽창(174)보다 작은 길이방향 팽창을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 단절 영역(160) 및 제2 단절 영역(170)은 그리드 구조가 생성되도록 배열될 수 있는 수 개의 단절부들을 포함할 수 있으며, 여기서 멤브레인(110)에 의한 열 전도의 경로는 직접 경로(122a, 122b)보다 길다. 예를 들어, 직접 경로(122a, 122b)는 가열 엘리먼트(120)로부터 열 엘리먼트 구조(130, 140)로의, 가열 엘리먼트(120)에 수직인 직선 경로일 수 있다. 이러한 경우, 직접 경로(122a, 122b)는 단절부들(162 및 1621) 및 단절부들(172 및 1721)을 각각 통과할 수 있으며, 그 결과, 분석될 가스에 의한 열 전도는 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)에 의해 감지될 수 있다. 직접 경로(122a, 122b)가 분석될 가스를 통해서가 아니라 멤브레인(110)을 통해서만 발생한다면, 가스 센서(100)는 가스의 의미있는 분석을 보장하지 않을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 단절부(162, 172)는 제1 단절 영역(160) 및 제2 단절 영역(170)에서 선택적으로 둥근 코너들을 갖는 직사각형 컷아웃(cutout)들을 형성할 수 있다. 이러한 경우, 예를 들어 그것은 세로방향 홀(hole)이다. 예를 들어, 그것은 또한 타원형 홀일 수 있다. 제1 단절 영역(160)의 단절부(162) 및 제2 단절 영역(170)의 단절부(172)가 도 1a에서 직사각형 단절부들(홀들)로서 예시되지만, 단절부들은 임의의 형상들(이를테면, 삼각형, 원형, 정사각형, 다각형 형상 등)을 포함할 수 있다. 단절부들(162, 172)의 형상화는, 가열 엘리먼트로부터 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)로의 멤브레인(110)을 통한 열 경로가 가능한 길도록 적응될 수 있으며, 분석될 가스를 통한 경로가 가장 긴 루트를 구성한다. 따라서, 이것은 멤브레인(110)을 통해서가 아니라 분석될 가스를 통해 가능한 많은 열을 전달하는 것을 가능하게 하며, 그 결과, 가스 센서(110)는 가스를 매우 정밀하게 분석할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 단절부(162, 172)는 그의 폭보다 적어도 3배 더 길 수 있다. 따라서, 예를 들어, 단절부(162)의 길이방향 팽창(164)은 측방향 팽창(166)보다 3배 더 길 수 있거나, 또는 단절부(172)의 길이방향 팽창(174)은 측방향 팽창(176)보다 3배 더 길 수 있다. 따라서, 예를 들어, 길이는 길이방향 팽창(164, 174)을 구성하고, 예를 들어 폭은 측방향 팽창(166, 176)을 구성한다. 예를 들어, 길이는 가열 엘리먼트(120)에(또는 가열 엘리먼트(120)의 최대 팽창 방향에) 평행한 방향으로서 정의될 수 있고, 폭은 가열 엘리먼트(120)에(또는 가열 엘리먼트(120)의 최대 팽창 방향에) 수직인 방향으로서 정의될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 단절 영역(160) 내의 수 개의 단절부들(162, 1621) 사이의 거리(168), 및 제2 단절 영역(170) 내의 수 개의 단절부들(172, 1721) 사이의 거리(178)는, 기계적으로 내구성있는 그리드 구조를 초래하는 가장 작은 실현가능 구조 폭에 대응할 수 있다. 거리(168, 178)는 2개의 단절부들 사이에 있고 멤브레인(110)의 멤브레인 재료로 이루어진 리지(ridge)들의 폭을 정의할 수 있다. 거리(168, 178)가 작을수록, 가열 엘리먼트(120)로부터 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)로 멤브레인(110)을 통해 열이 더 적게 전달되고, 분석될 가스를 통해 열이 더 많이 전달된다.
일 실시예에 따르면, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 보호 층으로 패시베이팅(passivate)될 수 있다. 보호 층은 분석될 가스에 의한 손상들에 대해 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)를 보호할 수 있고, 따라서, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)의 손상들로 인한 가스 분석에서의 가스 센서의 가능한 부정확성들을 회피할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 열 엘리먼트 구조의 핫 단부(132)는 멤브레인(110)의 제1 단절 영역(160)의 에지까지 도달할 수 있고, 제2 열 엘리먼트 구조(140)의 핫 단부(142)는 멤브레인(110)의 제2 단절 영역(170)의 에지까지 도달할 수 있다. 예를 들어, 핫 단부(132)와 제1 단절 영역(160) 사이의 거리, 또는 핫 단부(142)와 제2 단절 영역(170) 사이의 거리는 0.5 mm, 100 nm, 또는 10 μm보다 크지 않아야 한다. 예를 들어, 단절부(162) 또는 단절부(142)가 이러한 에지까지 도달하면, 멤브레인(110)은 개개의 핫 단부들과 개개의 단절부 사이의 매우 작은 거리만을 갖는다. 이것은, 멤브레인(110)의 멤브레인 재료가 제1 열 엘리먼트 구조(130) 또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)에 의한 가열기 신호의 검출을 악화시키지 않거나 단지 약간만 악화시키는 것을 가능하게 하며, 그 결과, 가스 센서(100)는 가스를 매우 정밀하게 분석할 수 있다.
도 1b는, 적어도 하나의 가열기(120) 및 가열기(120)에 대해 상이한 거리들(1801 및 1802)로 배열된 2개의 검출기들(제1 검출기(130) 및 제2 검출기(140))을 갖는 열 가스 센서(100)에 대한 평가 배열(200)(본 명세서에서 평가 수단으로 또한 지칭될 수 있음)의 개략적인 예시를 도시한다. 제1 검출기(130)는 거리(1801)로 가열기(120)로부터 이격될 수 있고, 제2 검출기(140)는 거리(1802)로 가열기(120)로부터 이격될 수 있다. 평가 배열(200)은, 제1 검출기(130)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(210), 제2 검출기(140)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(220), 제1 검출기(130)의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제1 위상 차이에 관한 정보(210), 및 제2 검출기(140)의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제2 위상 차이에 관한 정보(220)를 획득하도록 구현될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 정보(210)는 제1 검출기(130)의 검출기 신호의 진폭 뿐만 아니라 제1 검출기(130)의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제1 위상 차이를 포함할 수 있고, 정보(220)는 제2 검출기(140)의 검출기 신호의 진폭 뿐만 아니라 제2 검출기(140)의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제2 위상 차이를 포함할 수 있다. 그러나, 개개의 검출기(제1 검출기(130) 및/또는 제2 검출기 신호(140))의 검출기 신호의 진폭이 열 가스 센서로부터 평가 배열로 제1 위상 차이 및 제2 위상 차이와는 별도로 각각 송신되는 것이 또한 가능하다. 일 실시예에 따르면, 예를 들어 정보(210) 및 정보(220)가 별개의 라인들을 통해 평가 배열(220)로 송신되는 것이 아니라 상호 라인 또는 무선을 통해 송신되는 것이 또한 가능하다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 검출기 신호들의 진폭들에 관한 정보(210, 220)에 의존하여 그리고 제1 위상 차이 및 제2 위상 차이에 관한 정보(210, 220)에 의존하여 중간의 양으로서 조합 신호(230)를 형성하도록 구현될 수 있다. 조합 신호(230)는 제1 검출기(130)의 검출기 신호 및 제2 검출기(140)의 검출기 신호의 진폭 정보와 위상 정보를 조합할 수 있다. 평가 배열(200)은 조합 신호(230)에 기초하여 가스 또는 가스 혼합물과 같은 유체의 가스 농도 또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 결정하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 평가 배열(200)은 계산들의 추가적인 프로세스에서 조합 신호(230)로 통합되는 개별 정보(210, 220)를 별도로 고려하지 않으면서 이러한 결정을 수행할 수 있다.
예를 들어, 검출기 신호의 진폭은 개개의 검출기(130, 140)에 의해 정보(210, 220)로서 직접 제공될 수 있다. 예를 들어, 개개의 검출기(130, 140)의 검출기 신호와 가열기 신호(122) 사이의 제1 위상 차이 및 제2 위상 차이에 관한 정보(210, 220)는 열 가스 센서(100)에 의해 결정되어, 평가 배열(200)로 송신될 수 있다.
대안적으로, 제1 검출기(130)의 검출기 신호 및 제2 검출기(140)의 검출기 신호는 정보(210) 및 정보(220)를 통해 평가 배열(200)로 각각 송신될 수 있고, 부가적으로, 가열기 신호(122)는 평가 배열(200)로 직접 송신될 수 있다. 이러한 경우, 평가 배열은 제1 검출기(130)의 검출기 신호로부터 그리고 제2 검출기(140)의 검출기 신호로부터 개개의 진폭을 결정하고, 제1 위상 차이 및 제2 위상 차이를 결정해서, 그러한 방식으로 결정된 정보에 의존하여 조합 신호(230)를 형성하도록 구성될 수 있다.
평가 배열(200)이 조합 신호(230)를 형성한다는 사실로 인해, 평가 배열(200)이 제1 검출기(130)의 검출기 신호의 진폭 및 제1 위상 차이에 관한 정보(210) 뿐만 아니라 제2 검출기(140)의 검출기 신호의 진폭 및 제2 위상 차이에 관한 정보(220)를 별개로 보정하는 경우처럼, 평가 배열(200)은 가스 농도 및 열 확산성에 관한 정보(240)를 획득하기 위해 열 가스 센서(100)의 가능한 에러들을 쉽고 훨씬 더 신속하게 보정할 수 있다. 따라서, 조합 신호(230)는 분석될 가스의 가스 농도 및 열 확산성에 관한 정보(240)를 결정하는 것을 용이하게 할 수 있으며, 열 가스 센서(100)에 의해 생성된 에러들을 억제하거나 감소시키는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 가열기 신호(122)로부터 가열기 진폭에 관한 정보, 이를테면 가열 전력에 관한 정보를 획득하고, 가열기 진폭에 관한 정보, 정보(210) 및 정보(220)의 선형 조합을 형성해서, 조합 신호(230)를 획득하도록 구성될 수 있다.
대안적으로, 예를 들어 정보(210)가 제1 검출기(130)의 검출기 신호를 포함하고 정보(220)가 제2 검출기(140)의 검출기 신호를 포함하면, 평가 배열(200)은 가열기 신호(122)로부터 가열기 진폭에 관한 정보를 획득할 뿐만 아니라, 위에서 설명된 바와 같이, 제1 위상 차이 및 제2 위상 차이에 관한 정보를 계산할 수 있다.
따라서, 그것은 제1 위상 차이 및 제2 위상 차이의 형태로 조합 신호(230)에 통합되는 가열기 신호의 위상일 뿐만 아니라 가열기 진폭이며, 이는, 평가 배열(200)이 가열기(120)로부터의 2개의 검출기들의 제1 거리(1801) 및 제2 거리(1802)에 의존하여, 분석될 가스의 가스 농도 및 열 확산성에 관한 정보(240)를 결정할 수 있는 것을 가능하게 한다. 따라서, 예를 들어, 가열기(120)에 대한 제2 검출기(140)의 거리(1802)가 가열기(120)에 대한 제1 검출기(130)의 거리(1801)보다 크므로, 제1 검출기(130)의 검출기 신호는 제2 검출기(140)의 검출기 신호보다 큰 진폭을 포함한다. 가열기(120)에 대한 거리가 증가함에 따라, 개개의 검출기(130, 140)에 의해 검출된 가열기 진폭이 감소할 수 있다. 따라서, 가열기 진폭에 관한 부가적인 정보로 인해, 가열기 신호(122)의 가열기 진폭이 기준으로서 고려될 수 있으므로, 평가 배열(200)은 가스 농도 및 열 확산성에 관한 정보(240)를 훨씬 더 정밀하게 결정할 수 있으며, 따라서, 조합 신호(230)는 상대적인 진폭 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상대적인 진폭 신호는 절대적인 진폭 신호보다 에러에 덜 취약하다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 sigX=sigUss*Ka+sigPhi*Kp에 따라 조합 신호 sigX(230)를 획득하도록 구현될 수 있다. 항 sigUss는 제1 검출기(130)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(210) 및 제2 검출기(140)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(220)에 의존할 수 있는 진폭 정보 또는 진폭 신호일 수 있다. 예를 들어, sigUss는 제1 검출기(130)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(210)와 제2 검출기(140)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(220)의 선형 조합일 수 있다. sigPhi는 제1 위상 차이에 관한 정보(210) 및 제2 위상 차이에 관한 정보(220)에 의존할 수 있는 위상 정보 또는 부가된 위상 신호일 수 있다. 따라서, 예를 들어, sigPhi는 제1 위상 차이에 관한 정보(210) 및 제2 위상 차이에 관한 정보(220)의 가산일 수 있다. Ka 및 Kp는 상수들일 수 있다. 그러한 방식으로 결정된 조합 신호(230)는 진폭 정보 sigUss 및 위상 정보 sigPhi를 포함할 수 있으며, 그 결과, 정보의 4개의 조각들(예를 들어, 제1 검출기(130)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(210), 제2 검출기(140)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(220), 제1 검출기(130)의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제1 위상 차이에 관한 정보(210), 및 제2 검출기(140)의 검출기 신호와 가열기 신호 사이의 제2 위상 차이에 관한 정보(220))이 조합 신호(230)에서 조합될 수 있고, 그 결과, 평가 배열(200)은 정보(210, 220)를 프로세싱하기 위해 더 적은 전력을 사용할 수 있다. 따라서, 평가 배열(200)은 가스 농도 및 열 확산성에 관한 정보(240)를 매우 효율적이고 신속하며 정밀하게 결정하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 sigUss=2*Hz.Uss-(D1.Uss+D2.Uss)에 따라 진폭 정보 sigUss를 획득하도록 구성될 수 있다. Hz.Uss는 가열기 신호(122)로부터 획득될 수 있는 가열기 진폭에 관한 정보일 수 있다. D1.Uss는 제1 검출기(130)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(210)일 수 있고, D2.Uss는 제2 검출기(140)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(220)일 수 있다. 제1 검출기(130)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(210), 제2 검출기(140)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(220), 및 가열기 진폭 Hz.Uss가 서로 함께 계산되어서, 제1 검출기(130)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(210) 및 제2 검출기(140)의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(220)가 가열기 진폭에 관해 고려될 수 있으므로, 진폭 정보 sigUss는 상대적인 진폭 신호를 구성할 수 있다. 진폭들의 상대적인 고려로 인해, 절대적인 진폭 값들의 가능한 에러들이 회피될 수 있으며, 그 결과, 평가 배열(200)은 가스 농도 및 열 확산성에 관한 정보(240)를 매우 정밀하게 결정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 가스 농도 또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 획득하기 위해 조합 신호(230)의, 예를 들어 제1 정도의 다항식을 계산하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 다항식(예를 들어, 다항식 y)은 y=A0+A1*sigX+A2*sigX2에 따라 획득될 수 있다. 평가 배열(200)에 의한 조합 신호(230)의 다항식 형성으로 인해, 조합 신호(230)는 가능한 압력 드리프트 에러들 또는 온도 드리프트 에러들에 관해 매우 쉽고 효율적으로 보정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 획득하기 위해 조합 신호(230)의 다항식을 보정 항과 곱하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 조합 신호(230)의 보정 항은 압력에 관한 정보 및 온도에 관한 정보에 의존할 수 있으며, 압력 의존성 및 온도 의존성을 보상할 수 있다. 다시 말하면, 보정 항은 조합 신호(230)로부터의 압력 드리프트 및/또는 온도 드리프트를 보상할 수 있다. 따라서, 열 가스 센서(100)에 의해 검출된 신호들의 평가 배열(200)에 의한 가능한 부정확한 해석이 감소될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 가스 농도에 관한 정보 C(240)를 획득하기 위해 
에 따라 계산을 수행하도록 구현될 수 있다. sigX는 조합 신호(230)일 수 있고, pol(sigX)는 조합 신호 sigX(230)의 다항식일 수 있고, f(p)는 압력 p의 함수일 수 있고, const1은 상수일 수 있고, f(T)는 온도 T의 함수일 수 있으며, const2는 제2 상수일 수 있다. f(p)는 열 가스 센서(100)의 주변 영역에서 측정된 압력 p의 함수일 수 있고, f(T)는 열 가스 센서(100)의 주변 영역에서 측정된 온도 T의 함수일 수 있다. 곱셈의 두번째 항 
은 또한 조합 신호(230)의 보정 항으로 이해될 수 있다. 보정 항은 가스 센서(100)의 측정 조건들(이를테면, 주변 압력/측정 압력, 또는 주변 온도/측정 온도)에 의존할 수 있다. 따라서, 보정 항은 가스 농도에 관한 정보(240)의 결정 시에 열 가스 센서(100)의 주변 압력 또는 주변 온도의 가능한 영향들을 보정할 수 있다. 따라서, 가능한 압력 드리프트 또는 온도 드리프트가 억제될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열은 가스 농도에 관한 정보 C(240)를 획득하기 위해
에 따라 계산을 수행하도록 구현될 수 있다. 수학식에서, sigX는 조합 신호(230)일 수 있고, A.y(sigX)는 조합 신호 sigX(230)의 (예를 들어, 1차의) 다항식일 수 있고, B.y(p)는 압력 p의 함수(예를 들어 이를테면, 2차의 다항식 함수)일 수 있고, B.ref는 상수일 수 있고, C.y(T)는 온도 T의 함수(예를 들어 이를테면, 2차의 다항식 함수)일 수 있으며, C.ref는 제2 상수일 수 있다. 예를 들어, 함수 B.y(p)는 열 가스 센서(100)의 주변 영역에서 측정된 압력 p의 함수일 수 있고, C.y(T)는 열 가스 센서(100)의 주변 영역에서 측정된 온도 T의 함수일 수 있다. 가스 농도에 관한 정보 C(240)를 계산하기 위한 곱셈의 두번째 항 
은 보정 항을 정의할 수 있다. 이러한 경우, 예를 들어 보정 항은 압력 p 및 온도 T에 의존할 수 있다. 따라서, 예를 들어, B.y(p)는 압력 p에 의존하는 다항식 함수일 수 있으며, 예를 들어 그 결과, 가스 농도에 관한 정보(240)의 계산에 대한 가능한 압력 영향들의 보정이 고려될 수 있다. 유사하게, 온도 T의 함수로서 다항식 함수 C.y(T)를 형성함으로써, 가스 농도에 관한 정보(240)의 계산에 대한 온도 T의 가능한 영향이 매우 정밀하게 고려될 수 있다. 압력 p의 함수로서 그리고 온도 T의 함수로서 다항식 함수를 형성함으로써, 에러 보정들이 매우 정밀하게 근사화될 수 있고, 그 결과, 평가 배열(200)은 가스 농도에 관한 정보(240)를 매우 효과적이고 매우 정밀하게 결정하도록 구현될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은, 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 결정할 때 열 가스 센서(100)의 주변 영역에서의 압력 및/또는 온도를 고려하도록 구현될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 열 가스 센서(100)는 압력 센서들 및 온도 센서들을 포함할 수 있으며, 열 가스 센서(100)는 이들을 이용하여, 주변 영역에서 압력 및/또는 온도를 검출하고, 이를 평가 배열(200)에 송신할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 평가 배열(200)은 열 가스 센서(100)의 주변 영역에서의 상이한 압력 조건들 및/또는 온도 조건들로 인해 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)의 가능한 부정확한 계산들을 고려하고 보정할 수 있다. 따라서, 평가 배열(200)은 열 가스 센서(100)의 주변 영역에서의 압력 및/또는 온도에 반응할 수 있고, 따라서 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(140)를 매우 정밀하게 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 결정할 때, 평가 배열(200)은, 드리프트 보정의 결과로서 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보를 획득하기 위해, 조합 신호(230), 열 가스 센서(100)의 주변 영역에서의 온도에 관한 정보 및 열 가스 센서(100)의 주변 영역에서의 압력에 관한 정보를 드리프트 보정의 입력 양들로서 사용하도록 구현될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 드리프트 보정은, 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 획득하기 위해 온도 및 압력에 관한 정보에 의존하여 조합 신호에 적용될 수 있다. 예를 들어, 3개의 언급된 입력 변수들(조합 신호, 온도에 관한 정보, 및 압력에 관한 정보) 외에도, 드리프트 보정은 어떠한 추가적인 변수들도 획득하지 않을 수 있지만, 이전에 획득된 상수들, 이를테면 교정의 맥락에서 결정된 상수들만을 사용할 수 있다. 이러한 경우, 상수들은 사용되는 열 가스 센서(100)에 대해 특정적일 수 있다. 따라서, 평가 배열(200)은, 매우 정밀한 결과(정보(240))를 획득하기 위해 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 계산할 때 열 가스 센서들(100) 사이의 작은 차이들을 고려하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 드리프트 보정은 온도 드리프트 및/또는 압력 드리프트를 보정할 수 있다.
도 1c는 적어도 하나의 가열기(120) 및 2개의 검출기들(제1 검출기(130) 및 제2 검출기(140))을 갖는 열 가스 센서(100)에 대한 평가 배열(200)의 개략적인 예시를 도시한다. 제1 검출기(130)는 가열기(120)에 대한 제1 거리(1801)를 포함할 수 있고, 제2 검출기(140)는 가열기(120)에 대한 제2 거리(1802)를 포함할 수 있다. 도 1c에 따르면, 제1 검출기(130) 및 제2 검출기(140)는 가열기(120)에 대해 동일한 거리(1801, 1802)를 포함한다. 그러나, 제1 거리(1801)가 제2 거리(1802)와는 상이한 것이 또한 가능하다. 따라서, 예를 들어, 제1 검출기(130)는 제2 검출기(140)와는 상이한, 가열기(120)에 대한 거리로 배열될 수 있다. 평가 배열(200)은, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)를 미리 결정된 값 범위로 가져오기 위해 검출기들 중 적어도 하나(예를 들어, 제1 검출기(130) 및/또는 제2 검출기(140))로부터의 적어도 하나의 센서 신호(예를 들어, 제1 센서 신호(210) 및/또는 제2 센서 신호(220))에 의존하여, 가열기(120)에 인가될 수 있는 가열 전력을 (예를 들어, 가열 전력을 제어하기 위한 제어 유닛(250)을 사용하여) 제어하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 평가 배열에 의해 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)를 분석하고 그리고/또는 추가로 프로세싱하기 위해, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)가 평가 배열(200)에 의해 미리 결정된 값 범위로 가져가지는 것이 유리하다. 예를 들어, 가열 전력이 증가되면, 예를 들어 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)의 진폭 또는 주파수가 또한 증가될 수 있다. 예를 들어, 이것은, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)가 너무 작고 미리 결정된 값 범위가 너무 크다면, 평가 배열(200)에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 새로운 센서 신호(210, 220)는, 제어 유닛(250)에 의한 가열 전력의 제어 이후 미리 결정된 값 범위를 채우거나 그에 위치될 수 있다. 예를 들어, 미리 결정된 값 범위는 사용되는 평가 배열(200)의 컴포넌트들, 예를 들어 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의존할 수 있다. 따라서, 예를 들어, ADC는, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)가 ADC에 적응된 미리 결정된 값 범위(예를 들어, ADC 동작 범위)에 적응되면, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)를 매우 효율적으로 추가로 프로세싱할 수 있다.
평가 배열(200)은 또한, 가열기(120)의 가열 전력이 감소되도록 제어 유닛(250)을 이용하여 가열기(120)의 가열 전력을 제어하도록 구현될 수 있다. 이를 통해, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)가 또한 감소될 수 있다. 예를 들어, 이것은, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)가 미리 결정된 값 범위를 초과하는 경우, 즉 너무 큰 경우 유리할 수 있다. 평가 배열(200)이 제어 유닛(250)을 이용하여 가열기(120)의 가열 전력을 제어하도록 구현된다는 사실로 인해, 평가 배열(200)의 예시적인 컴포넌트들, 이를테면 ADC에 의해 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)를 추가로 프로세싱할 때, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)의 어떠한 정보도 손실되지 않거나 약간의 정보만이 손실된다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)의 제어 유닛(250)은 가열기(120)의 가열 전력을 제어하기 위한 제어 신호(252)를 가열기(120)로 송신할 수 있다. 부가적으로, 제어 유닛(250)은 가열기(120)의 제어된 가열 전력에 관한 정보(122)를 평가 배열(200)에 제공할 수 있다.
평가 배열(200)은, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)로부터 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 도출할 때 가열 전력에 관한 정보(122)를 고려하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제어 유닛(250)이 센서 신호(210, 220)를 미리 결정된 값 범위로 가져오며, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)가 가열 전력에 의존하므로, 분석 시에 가열 전력에 관한 정보(122)를 부가적으로 고려하는 것이 가능하다. 부가적으로, 가열 배열(200)은, 하나의 센서 신호, 예를 들어 제1 센서 신호(210) 또는 제2 센서 신호(220)가 가스 또는 유체의(예를 들어, 가스 또는 가스 혼합물의) 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 특정한 정확도로 도출할 만큼 충분하다는 것을 가능하게 한다. 제1 센서 신호(210) 및 제2 센서 신호(220) 뿐만 아니라 가열 전력(122)이 정보(240)를 도출하는 데 사용되면, 정보(240)의 결정은 과도하게 결정되며, 그 결과, 정보(240)는 평가 배열(200)에 의해 매우 정밀하게 결정될 수 있다. 예를 들어, 가열기(120)에 대한 제1 검출기(130)의 제1 거리(1801)가 제2 검출기(140)의 제2 거리(1802)와는 상이하면, 가스의 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)는 가열기(120)의 가열 전력에 관한 정보(122)를 사용하지 않으면서 제1 센서 신호(210) 및 제2 센서 신호(220)로부터만 도출될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 또한, 제어 유닛(250) 대신 열 가스 센서(100)로부터 가열 전력에 관한 정보(122)를 획득할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 주기적인 신호(예를 들어, 제어 신호(252))를 가열기(120)에 인가하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 주기적인 신호는 주기적인 구형파 신호 또는 정현파 신호일 수 있다. 제어 신호(252) 및 그에 따라 가열기(120)에 의해 분석될 가스로 소산되는 열이 주기적인 신호이면, 제1 검출기(130)에 의해 검출된 제1 센서 신호(210) 및 제2 검출기(140)에 의해 검출된 제2 센서 신호(220)가 또한 주기적일 수 있다. 그러나, 제1 거리(1801) 및 제2 거리(1802)로 인해, 제1 센서 신호(210) 및/또는 제2 센서 신호(220)는 가열기(120)의 주기적인 신호에 관해 위상이 상이할 수 있고, 가열기(120)의 주기적인 신호에 관해 진폭이 상이할 수 있다. 예를 들어, 평가 배열(200)은 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 매우 정밀하게 결정하기 위해 이들 거리들을 사용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 (예를 들어, 제어 신호(252)에 의해) 가열기에 인가된 가열 전력을 2개의 값들 사이에서 스위칭시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 주기적인 구형파 신호가 가열기(120)에 인가될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 가열기(120)는 분석될 가스에 제1 가열 전력 및 제2 가열 전력을 교대로 전달할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은, 적어도 하나의 센서 신호(210, 22)의 최소값 및 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)의 최대값이 미리 결정된 값 범위에 있도록 가열 전력의 진폭을 (예를 들어, 제어 유닛(250)을 이용하여) 제어하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 가열기(120)의 가열 전력의 진폭이 제어 신호(252)에 의해 증가되면, 예를 들어, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)의 최소값이 감소될 수 있고, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)의 최대값이 증가될 수 있다. 예를 들어, 가열 전력의 진폭이 제어 신호(252)에 의해 감소되면, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)의 최소값이 증가될 수 있고, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)의 최대값이 감소될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 미리 결정된 값 범위는 평가 배열(200)의 컴포넌트, 이를테면 ADC의 값 범위에 의존할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 미리 결정된 값 범위는 (예를 들어, 평가 배열(200)의 컴포넌트의) 컴포넌트 값 범위에 의존하여 결정될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 미리 결정된 값 범위는, 예를 들어 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)의 최소값이 컴포넌트 값 범위의 0% 내지 30%, 1% 내지 25%, 또는 2% 내지 20%의 범위에 있을 것이고, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)의 최대값이 컴포넌트 값 범위의 70% 내지 100%, 75% 내지 99%, or 80% 내지 98%의 범위에 있을 것이라고 특정할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 미리 결정된 값 범위는, 최소값이 위치될 하부 값 범위 및 최대값이 위치될 상부 값 범위를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)의 진폭이 특정된 진폭 범위에 있도록 가열 전력의 진폭을 (예를 들어, 제어 유닛(250)을 이용하여) 세팅 또는 조정하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)가 주기적인 정현파 신호를 포함하면, 진폭은 센서 신호의 각각의 시점에서, 특정된 진폭 범위에 있어야 한다. 여기서, 적어도 하나의 센서 신호의 진폭은 전체 특정된 진폭 범위를 이용해야 한다. 예를 들어, 특정된 진폭 범위는 상부, 중심 및 하부 진폭 범위를 포함하거나/그 범위로 분할될 수 있다. 적어도 하나의 센서 신호의 진폭에 의해 이용될 특정된 진폭 범위에 대해, 예를 들어, 적어도 하나의 센서 신호의 최대 진폭은 상부 범위에 있어야 하고, 최소 진폭은 하부 범위에 있어야 한다. 예를 들어, 특정된 진폭 범위는 컴포넌트 범위에 의존할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 특정된 진폭 범위는, 예를 들어 적어도 하나의 센서 신호의 진폭이 아날로그-디지털 변환기의 컴포넌트 값 범위의 적어도 50%, 또는 적어도 65%, 또는 적어도 75%를 이용하도록 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 센서 신호(210, 220)가 샘플링될 수 있는 샘플링 시간들을 세팅 또는 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 센서 신호(210, 220)는 선택적으로 평가 배열(200) 또는 열 가스 센서(100)에 의해 프리프로세싱될 수 있고 그리고/또는 DC 오프셋으로 인가될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 센서 신호(210, 220)가 최대 진폭의 시점 및 최소 진폭의 시점에서 샘플링되는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 샘플링 시간들이 부정확하게 선택되었다고 평가 배열(200)이 결정하면, 이들 2개의 샘플링 시간들은 평가 배열(200)에 의해 세팅 또는 재조정될 수 있다. 샘플링 시간들을 정확하게 세팅함으로써, 예를 들어, 평가 배열이 제1 센서 신호(210)와 (예를 들어, 가열기(120)에 의해 방출되고 제어 신호(252)에 의해 제어되는) 가열기 신호 사이 또는 제2 센서 신호(220)와 가열기 신호 사이의 위상 차이 또는 진폭 차이를 매우 쉽게 결정할 수 있는 것이 가능할 수 있다. 매우 정밀한 위상 차이 및/또는 진폭 차이들에 의해, 평가 배열(200)은 분석될 가스의 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 매우 정밀하게 결정 또는 도출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 샘플링 시간들을 세팅하도록 구현될 수 있어서, 샘플링은, 예를 들어 센서 신호(210, 220)가 최대값에 도달하는 시점에서 +/- 2°까지의 위상 차이로 수행되고 샘플링은, 예를 들어 센서 신호(210, 220)이 최소값에 도달하는 시점에서 +/- 2°까지의 위상 차이로 수행된다. 예를 들어, 위에서 설명된 바와 같이, 최대값은 센서 신호(210, 220)의 최대 진폭을 정의할 수 있고, 최소 진폭은 센서 신호(210, 220)의 최소 진폭을 정의할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 수단은 아날로그-디지털 변환기에 대한 입력 신호를 획득하기 위해, 검출기들(130, 140) 중 적어도 하나로부터의 센서 신호(210, 220)를 디지털-아날로그 변환기에 의해 생성된 오프셋 신호와 조합하도록 구현될 수 있다. 평가 수단(200)은, 아날로그-디지털 변환기의 입력 신호가 센서 신호(210, 220)의 전체 기간 동안, 특정된 범위 내에 유지되는 것을 달성하기 위해 오프셋 신호를 조정하도록 구현될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 오프셋 신호는 아날로그-디지털 변환기의 컴포넌트 값 범위에 있는 입력 신호가 생성되도록 센서 신호(210, 220)를 적응시키도록 구현될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 오프셋 신호는 분석될 상이한 가스들로부터의 상이한 센서 신호들(210, 220)에 반응할 수 있기 위해 조정/적응될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 오프셋 신호는, 너무 큰 센서 신호(210, 220)를 감소시켜 결과적인 입력 신호가 특정된 범위에 있도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 센서 신호(210, 220)가 너무 작을 때, 오프셋 신호는 센서 신호(210, 220)를 증가시켜, 특정된 범위에 있는 입력 신호가 생성되도록 구성될 수 있다.
따라서, 한편으로, 평가 배열(200)은 가열 전력을 제어함으로써 센서 신호(210, 220)의 진폭을 미리 결정된 값 범위로 가져오고, 센서 신호(210, 220)가 미리 결정된 값 범위에 있도록 센서 신호(210, 220)를 오프셋 신호와 조합함으로써 센서 신호(210, 220)의 오프셋을 변화시키도록 구현될 수 있다. 이것은, 센서 신호(210, 220)가 매우 정밀하게 분석될 수 있으며, 따라서, 분석될 가스의 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 매우 정밀한 정보(240)가 평가 배열(200)에 의해 결정될 수 있는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 평가 수단(200)은, 샘플링 시간들의 세팅 또는 조정이 정상 상태에 있을 때 그리고 오프셋 신호의 조정이 정상 상태에 있을 때에만 가열 전력을 제어하도록 구현될 수 있다. 정상 상태는, 샘플링 시간들이 평가 수단(200)에 의해 결정되어서, 센서 신호(210, 220)가 미리 정의된 이벤트들(이를테면, 최대 진폭(최대값), 제로 크로싱, 또는 최소 진폭(최소값)에서 샘플링될 수 있도록 하는 것으로 이해될 수 있다. 유사하게, 정상 상태는, 오프셋 신호를 센서 신호(210, 220)와 조합할 시에, 센서 신호(210, 220)가 특정된 범위에 있는 입력 신호를 생성하도록 오프셋 신호가 조정되고, 따라서 정보 손실들 없이 또는 약간의 정보 손실들로만 평가 배열에 의해 센서 신호(210, 220)를 매우 정밀하게 분석하는 것을 나타낼 수 있다. 따라서, 예를 들어, 사전-세팅들(이를테면, 정상 상태에서의 샘플링 시간들, 또는 정상 상태에서의 오프셋 신호)은, 제어 유닛(250)에 의해 가열 전력을 제어할 때, 새로운 센서 신호(210, 220)가 사전-세팅들로 매우 정밀하게 분석될 수 있고, 특정한 상황들 하에서는 샘플링 시간들 또는 오프셋 신호의 새로운 제어가 센서 신호(210, 220)로부터 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 도출하는 데 더 이상 필요하지 않도록 평가 수단(200)에 의해 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은, 샘플링 시간들이 세팅 또는 조정되는 동안 그리고/또는 오프셋 신호가 조정되는 동안 (예를 들어, 제어 유닛(250)에 의한) 가열 전력의 제어를 중지하도록 구현될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 샘플링 시간들 및 오프셋 신호가 아직 정상 상태에 있지 않은 동안 센서 신호(210, 220)에 대해 이루어지는 어떠한 변화들도 존재하지 않는 것이 보장될 수 있다. 따라서, 이것은, 샘플링 시간들 및 오프셋 신호가 에러들에 대한 매우 작은 민감도로 또는 전혀 에러들 없이 매우 정밀하게 결정될 수 있으므로, 센서 신호(210, 220)가 매우 정밀하게 분석될 수 있는 것이 보장될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 평균 가열 전력 또는 최대 가열 전력 및 또한 가열 전력의 진폭을 제어하도록 구현될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제어 유닛(250)은 가열기(120)에 대한 새로운 가열기 신호를 제어 신호(252)로서 열 가스 센서(100)에 송신할 수 있으며, 여기서 제어 신호는, 예를 들어, 변화된 평균 가열 전력, 최대 가열 전력, 또는 가열 전력의 진폭을 포함한다. 그러나, 제어 신호(152)가 평균 가열 전력, 최대 가열 전력, 또는 가열 전력의 진폭이 가열기(120)에 대한 열 가스 센서에 의해 얼마나 변화될지를 나타내는 정보를 포함하는 것이 또한 가능하다.
도 1d는, 적어도 하나의 가열기(120) 및 가열기(120)에 대해 상이한 거리들(예를 들어, 제1 거리(1801) 및 제2 거리(1802))로 배열된 2개의 검출기들(예를 들어, 제1 검출기(130) 및 제2 검출기(140))를 갖는 열 가스 센서(100)에 대한 평가 배열(200)의 개략적인 예시를 도시한다. 예를 들어, 제1 검출기(130)는 가열기(120)에 대한 제1 거리(1801)를 포함할 수 있고, 제2 검출기(140)는 가열기(120)에 대한 제2 거리(1802)를 포함할 수 있다. 평가 배열(200)은 특정된 기간 지속을 갖는 주기적인 신호(260)를 가열기(120)에 인가하도록 구현될 수 있다. 이러한 경우, 예를 들어, 주기적인 신호는 구형파 신호, 알려진 전력을 갖는 임펄스 신호, 또는 정현파 신호일 수 있다. 선택적으로, 그것은 또한 고조파를 갖는 정현파 신호 또는 삼각 신호일 수 있다. 주기적인 신호는 또한 가열기 신호로 지칭될 수 있으며, 분석될 가스를 통한 가열기(120)로부터 제1 검출기(130) 및/또는 제2 검출기(140)로의 열의 형태로 전달될 수 있다. 전달된 열은 제1 검출기(130)에 의해 제1 센서 신호(210)로서 그리고 제2 검출기(140)에 의해 제2 센서 신호(220)로서 검출될 수 있다. 제1 센서 신호(210) 및 제2 센서 신호(220)는 제1 주기적인 신호 및 제2 주기적인 신호를 각각 포함할 수 있으며, 그 주기적인 신호들 각각은 특정된 기간 지속을 포함한다. 이것은, 분석될 가스가 그의 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관하여 열 가스 센서(100) 또는 평가 배열(200)에 의해 매우 정밀하게 분석될 수 있는 것을 가능하게 한다. 평가 배열(200)은 (예를 들어, 샘플링 수단(270)에 의해) 3개의 시점들에서 검출기들(130, 140) 중 하나로부터의 적어도 하나의 센서 신호(예를 들어, 제1 센서 신호(210) 및/또는 제2 센서 신호(220))를 샘플링하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 제2 샘플링 시간은 제1 샘플링 시간과 비교하여 기간 지속에 관해 90°만큼(예를 들어, +/- 2°로) 시간-시프트될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제2 샘플링 시간은 제1 샘플링 시간과 비교하여 1/4 기간 지속들, 5/4 기간 지속들, 또는 9/4 기간 지속들만큼 시간-시프트될 수 있다. 제3 샘플링 시간은 제1 샘플링 시간과 비교하여 기간 지속에 관해 180°만큼, 또는 제2 샘플링 시간과 비교하여 90°만큼 시간-시프트될 수 있다. 제1 샘플링 시간, 제2 샘플링 시간, 및 제3 샘플링 시간은 +/- 2%의 허용오차를 포함할 수 있다. 즉, 예를 들어, 제3 샘플링 시간은 제1 샘플링 시간과 비교하여 1/2 기간 지속들, 3/2 기간 지속들, 또는 5/2 기간 지속들만큼 시간-시프트될 수 있다. 따라서, 센서 신호(210, 220)는 정밀하게 정의된 위치들에서 샘플링되어, 센서 신호(210, 220)로부터 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 매우 정밀하게 결정하는 것을 가능하게 할 수 있다. 평가 배열(200)은, (예를 들어, 샘플링 장치(270)에 의해 수행되는) 제1 샘플링 시간, 제2 샘플링 시간, 및 제3 샘플링 시간에서 센서 신호를 샘플링하는 것에 기초하는 3개의 샘플링 값들에 기초하여, 제1 샘플링 값 및 제3 샘플링 값이 센서 신호(210, 220)의 최대값 및 최소값을 구성하는지 여부를 검출하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 이것은 검사 장치(280)에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 검사 장치(280)는 DC 오프셋을 무시할 수 있으며, 따라서, DC 오프셋 이외에, 예를 들어, 제1 샘플링 값이 최대값을 구성하고 제3 샘플링 값이 센서 신호(210, 220)의 최소값을 구성하는지 여부를 검사할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제2 샘플링 시간은 센서 신호(210, 220)의 "제로 크로싱"일 수 있으며, 검사 수단(280)에 의해 또한 고려될 수 있다.
제1 샘플링 시간, 제2 샘플링 시간, 및/또는 제3 샘플링 시간 뿐만 아니라 제1 센서 신호(210) 및 제2 센서 신호(220)는 열 가스 센서(100)에 의해 검출된 가스의 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 결정하는 데 사용될 수 있다. 선택적으로, 가열기 신호(122)는 정보(240)의 결정 시에 부가적으로 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제1 센서 신호(210)와 제2 센서 신호(220) 사이의 위상 차이 뿐만 아니라 제1 센서 신호(210)와 제2 센서 신호(220) 사이의 진폭 차이는 샘플링 시간/샘플 값들에 기초하여 결정될 수 있다. 선택적으로, 제1 센서 신호(210)와 가열기 신호(122) 사이 그리고/또는 제2 센서 신호(220)와 가열기 신호(122) 사이의 위상 차이 및/또는 진폭 차이가 결정될 수 있다. 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)는 그러한 방식으로 결정된 위상 차이들 및 진폭 차이들로부터 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은, 제1 샘플 값 및 제3 샘플 값이 센서 신호(210, 220)의 최대값 및/또는 최소값을 구성하는지 여부를 식별하는 것에 의존하여 샘플링 시간들을 변화시키도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 이것은 샘플링 제어 수단(290)에 의해 행해질 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제1 샘플 값 및 제3 샘플 값이 센서 신호(210, 220)의 최대값 및/또는 최소값에 대응하지 않으면, 새로운 샘플링 시간들이 결정될 수 있다. 샘플링 시간들을 제어하는 것은 샘플 값들이 미리 결정된 값들에 대응하는 것을 보장할 수 있다. 예를 들어, 검사 수단(280)이 허용오차(예를 들어, +/- 2°) 외부의 편차들이 존재한다고 결정하면, 샘플링 시간들이 샘플링 제어 수단(290)에 의해 변화/재조정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은, 제1 샘플 값이 센서 신호(210, 220)의 제1 극값, 예를 들어 최대값 또는 최소값을 구성하고, 제3 샘플 값이 센서 신호(210, 220)의 제2 극값, 예를 들어 최소값 또는 최대값을 구성하도록 샘플링 시간들을 세팅 또는 조정하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 제2 샘플 값은 센서 신호(210, 220)의 평균값 또는 DC 컴포넌트, 예를 들어 "제로 크로싱"을 구성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 샘플링 시간들을 세팅 또는 조정할 때, 센서 신호(210, 220)가 특정된 임계치 값을 통과하는 시점에 관한 정보를 고려하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 시점은, 예를 들어 센서 신호(210, 220)의 DC 컴포넌트 또는 평균값을 구성할 수 있는 제2 시점일 수 있다. 따라서, 예를 들어 검사 수단(280)은 제1 샘플링 시간 및/또는 제2 샘플링 시간을 검사하기 위해 제2 샘플링 시간을 사용할 수 있다. 따라서, 검사 수단(280)이 제2 샘플링 시간에 기초하여, 제1 샘플 값이 센서 신호(210, 220)의 최대값 또는 최소값에 대응하지 않고 제3 샘플 값이 센서 신호(210, 220)의 최소값 또는 최대값에 대응하지 않는다고 결정하면, 샘플링 제어 장치(290)는 샘플링 시간들을 새롭게 세팅하거나 그들을 재조정할 수 있다. 예를 들어, 특정된 임계치 값은 (예를 들어, DC 오프셋 이외에) "제로 크로싱"을 정의할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은, 제2 샘플링 시간의 제2 샘플 값이 제1 샘플링 시간의 샘플 값과 제3 샘플링 시간의 제3 샘플 값의 평균값과 동일한지 여부를 검사하고, 검사에 의존하여, 제1 샘플 값 및 제3 샘플 값이 센서 신호의 최대값 및 최소값을 표현하는지 여부를 검출하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 제2 샘플 값은 제1 샘플 값과 제3 샘플 값 사이의 차이와 최대 ±1%의 허용오차로 동일해야 하거나, 또는 샘플 값과 제2 샘플 값의 평균값과 동일해야 한다. 이것이 그 경우가 아니라면, 검사 장치(280)는 샘플링 시간들이 부정확하게 선택되었다는 것을 검출할 수 있다. 제1 샘플 값이 제1 극값을 구성하고, 기간 지속에 관해 180°만큼 시간-시프트된 제3 샘플 값이 센서 신호(210, 220)의 제2 극값을 구성하므로, 제2 샘플 값은 제1 샘플링 시간과 제2 샘플링 시간 사이의 시간의 정확히 절반에 위치될 수 있다. 따라서, 제2 샘플링 값은 다른 2개의 샘플링 값들의 평균값에 대응할 수 있다. 따라서, 이것은 검사 장치(280)의 도움으로 샘플 값들을 검사하기 위한 효율적이고 정확한 방법을 구성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 바람직하게는 50%의 듀티 인자를 갖는 주기적인 구형파(260)를 가열기(120)에 인가하도록 구현될 수 있다. 그러나, 주기적인 구형파 신호가 5% 내지 50%, 8% 내지 48%, 또는 10% 내지 45%의 범위의 듀티 비율을 포함하는 것이 또한 가능하다. 가열기(120)에 인가되는 주기적인 구형파 신호(260)는 +/- 2%의 허용오차를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 듀티 비율은 임펄스들의 주기적인 시퀀스의 경우 임펄스 지속기간 대 기간 지속의 비율을 표시한다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은 아날로그-디지털 변환기에 대한 입력 신호를 획득하기 위해, 센서 신호(210, 220)를 디지털-아날로그 변환기에 의해 생성된 오프셋 신호와 조합하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 아날로그-디지털 변환기는 샘플링 시간들에 존재하는 신호 값들(예를 들어, 제1 샘플 값, 제2 샘플 값, 및/또는 제3 샘플 값)을 디지털화하고, 이를 사용하여 센서 신호(210, 220)를 샘플링할 수 있다. 예를 들어, 샘플링 장치(270)는 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은, 아날로그-디지털 변환기의 입력 신호가 센서 신호(210, 220)의 전체 기간 동안, 특정된 범위 내에 유지되는 것을 달성하기 위해 오프셋 신호들을 조정하도록 구성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 오프셋 신호는 센서 신호(210, 220)의 오프셋을 변화시킬 수 있어서, 아날로그-디지털 변환기의 동작 범위(예를 들어, 특정된 범위)에 있는 입력 신호가 생성되므로, 센서 신호(210, 220)의 어떠한 정보도 디지털화 시에 손실되지 않거나 정보 손실이 감소된다. 따라서, 예를 들어, 샘플링 장치(270)는 아날로그-디지털 변환기의 입력 값이, 예를 들어 특정된 범위의 특정된 상부 임계치 값을 초과하는지 또는, 예를 들어 특정된 범위의 특정된 하부 임계치 값 아래로 떨어지는지를 검사할 수 있다. 따라서, 샘플링 장치(270)는, 입력 값, 예를 들어 입력 신호의 값이 특정된 범위에 유지되도록 센서 신호(210, 220)와 조합될 수 있는 오프셋 신호를 생성할 수 있다. 평가 배열(200)은, 오프셋 신호를 조정한 이후 샘플링 시간들을 조정하고, 샘플링 시간들의 변화 이후, 샘플링 시간들의 변화된 세팅으로 획득된 샘플 값들이 특정된 범위 내에 여전히 존재하는지 여부에 관한 검사를 다시 수행하도록 구현될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 오프셋 신호는 평가 배열(200)에 의해 센서 신호(210, 220)에 대하여 초기에 생성될 수 있고, 후속하여, 샘플링 시간들은 샘플링 장치(270)에 의해 결정, 검사, 및 가능하게는 재조정될 수 있다(예를 들어, 이것은 샘플링 시간들의 추적을 구성할 수 있음). 이러한 추적 이후, 평가 배열(200)에 의한 오프셋 신호의 반복된 조정을 수반할 수 있는 새로운 샘플 값이 생성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 오프셋 신호 및 샘플링 시간들은, 예를 들어 아날로그-디지털 변환기가 센서 신호(210, 220)를 프로세싱할 수 있을 때까지 교대로 조정 또는 추적될 수 있다. 따라서, 이러한 시점에서, 오프셋 신호 및 샘플링 시간들은 정상 상태에 있을 수 있다.
예를 들어, 샘플링 제어 수단(290)에 의해 변화된 샘플링 시간들의 세팅들은 아날로그-디지털 변환기의 입력 값들로서 고려될 수 있는 새로운 샘플 값들을 생성한다. 아날로그-디지털 변환기의 입력 신호가 특정된 범위에 유지되기 위해, 가열기(120)의 가열 전력 및 오프셋 신호가 재조정될 수 있다. 예를 들어, 오프셋 신호는 센서 신호(210, 220)의 오프셋을 적응시킬 수 있고, 가열 전력의 변화는 센서 신호(210, 220)의 진폭을 적응시킬 수 있으므로, 특정된 범위에 있는 입력 신호가 생성된다.
일 실시예에 따르면, 평가 배열(200)은, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)를 미리 결정된 값 범위로 가져오기 위해 검출기들(130, 140) 중 적어도 하나로부터의 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)에 의존하여 가열기(120)에 인가되는 가열 전력을 제어하도록 구현될 수 있다. 평가 배열(200)은, 센서 신호(210, 220)로부터 가스 농도 및/또는 열 확산성에 관한 정보(240)를 도출할 때 가열 전력(예를 들어, 가열기 신호(122))에 관한 정보를 고려하도록 구현될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 가열기(120)의 가열 전력의 증가 시에, 센서 신호(210, 220)는 센서 신호(210, 220)의 진폭의 증가를 경험할 수 있거나 또는 가열 전력의 감소 시에, 적어도 하나의 센서 신호(210, 220)는 센서 신호(210, 220)의 진폭의 감소를 경험할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 센서 신호(210, 220)는 가열기(120)의 가열 전력을 제어함으로써, 미리 결정된 값 범위로 가져가질 수 있다.
다음에서, 열 가스 센서 및 평가 배열의 실시예들이 추가적인 도면들에 기초하여 설명된다.
1.1 열 가스 센서에 대한 기술적 변형들
도 2a 및 도 2b는 각각 물리적 가스 속성들을 측정하기 위한 가스 센서(100)의 개략적인 예시를 도시한다. 열 가스 센서(100)는 박층 멤브레인(110), 및 예를 들어, 멤브레인(110)의 제1 단절 영역(160)과 멤브레인(110)의 제2 단절 영역(170) 사이에서 멤브레인(110) 상의 자체-지지 브리지 구조로서 배열될 수 있는 가열 엘리먼트(120)를 포함할 수 있다. 와이어 센서(온도 센서 구조들(130, 140)에 대한 일 예; 도 2 및 도 3 참조)의 경우, (예를 들어, 수 개의 기본 층들, 센서 층들, 및 패시베이션 층들로 이루어진) 박층 멤브레인(110)의 두께는, 예를 들어 1 내지 10 μm일 수 있다. 가열 엘리먼트(120)는 또한 가열기로 지칭될 수 있다. 도 2a 및 도 2b에 따르면, 제1 단절 영역(160) 전체는 멤브레인(110)의 단절부(162)를 포함할 수 있고, 제2 단절 영역(170) 전체는 멤브레인의 단절부(172)를 포함할 수 있다. 따라서, 가열 엘리먼트(120)는 제1 단절부(162)와 제2 단절부(172) 사이에서 자체-지지 방식으로 배열될 수 있다. 제1 단절부(162)는 자체-지지 브리지 구조의 형태로 가열 엘리먼트(120) 및 제1 온도 센서 구조(130)에 의해 제한될 수 있다. 제2 단절부(172)는, 예를 들어 자체-지지 브리지 구조의 형태로 가열 엘리먼트(120) 및 제2 온도 센서 구조(140)에 의해 제한될 수 있다. 제1 온도 센서 구조(130) 및/또는 제2 온도 센서 구조는 와이어 센서, 써모파일들, 온도-가변 저항기들 또는 서미스터들일 수 있다.
선택적으로, 가스 센서(100)는 제1 외측 단절부(192) 및 제2 외측 단절부(194)를 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130)는 제1 단절부(160)와 제2 외측 단절부(194) 사이의 자체-지지 브리지 구조일 수 있고, 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 제2 단절부(172)와 제1 외측 단절부(192) 사이의 자체-지지 브리지 구조일 수 있다. 제1 열 엘리먼트 구조(130)는 또한 제1 검출기 또는 제1 센서로 지칭될 수 있고, 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 또한 제2 센서 또는 제2 검출기로 지칭될 수 있다.
가스 센서(100)의 단면은 도 2a의 상부 영역에서 볼 수 있다. 예를 들어, 가스 센서(100)는 캐리어 재료로 제조된 프레임(150)을 포함한다. 예를 들어, 캐리어 재료로 제조된 프레임(150)은 멤브레인(110)을 펼칠 수 있다. 일 실시예에 따르면, 멤브레인(110)은 1 μm 내지 50 μm, 2 μm 내지 25 μm, 또는 3 μm 내지 10 μm의 범위, 예를 들어 8 μm의 두께(111)(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130), 제2 열 엘리먼트 구조(140), 및 가열 엘리먼트(120)가 배열되는 멤브레인(110)의 표면에 수직인 팽창부)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 멤브레인(110)은 프레임(150)으로부터의 리세스(recess)(190)에 의해 실현될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 리세스(190)는 멤브레인(110)이 원하는 두께(111)로 실현될 수 있도록 선택될 수 있다.
도 2a 및 도 2b의 실시예에 따르면, 리세스(190)는, 가열 엘리먼트(120), 제1 열 엘리먼트 구조(130), 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)만이, 예를 들어 프레임(150) 사이에서 펼쳐지게 유지되도록 구현될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 열 엘리먼트 구조(130), 제2 열 엘리먼트 구조(140), 및 가열 엘리먼트(120)가 배열되는 멤브레인(110)의 표면은 200×200 μm2 내지 5×5 mm2, 500×500 μm2 내지 2000×2000 μm2 또는 800×800 μm2 내지 1200×1200 μm2의 범위의 팽창부를 포함할 수 있으며, 여기서 팽창부는 정사각형 또는 직사각형 팽창부일 수 있다. 가스 센서(100)는 500 nm 내지 5 mm, 1 μm 내지 1 mm, 또는 200 μm 내지 600 μm의 범위, 예를 들어 400 μm의 두께(101)(예를 들어, 멤브레인(110)의 두께(111)에 평행함)를 포함할 수 있다. 가열 엘리먼트(120)가 배열되는 멤브레인(110)의 표면에 평행한 가스 센서(100)의 팽창부는 1×1 mm2 내지 1×1 cm2, 1.5×1.5 mm2 내지 9×9 mm2, 또는 2×2 mm2 내지 8×8 mm2의 범위에 있을 수 있고, 예를 들어 6.5×2.5 mm2일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 열 엘리먼트 구조(130), 제2 열 엘리먼트 구조(140), 및/또는 가열 엘리먼트(120)는 멤브레인(110)의 일부일 수 있다.
가스 타입 및/또는 가스 혼합물에 의존하는 열 전달을 측정하기 위해, 프레임 사이에서 자체-지지 방식으로 펼쳐지고 그리고 분석될 가스에 의해 마이크로 와이어들로서 둘러싸일 수 있는 3개의 미세한 브리지 구조들(예를 들어, 가열 엘리먼트(120), 제1 열 엘리먼트 구조(130), 및 제2 열 엘리먼트 구조(140))을 갖는 마이크로칩(열 가스 센서(100)에 대한 일 예)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 분석될 가스는 제1 단절부(162), 제2 단절부(172), 제1 외측 단절부(192), 및/또는 제2 외측 단절부(194)에 배열될 수 있다. 중심 브리지 구조는 가열기(120)로서 구현될 수 있으며, 가열기(120)에 대해 상이한 거리들로 양측 상에 배열된 2개의 검출기 구조들(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140))은 가스 혼합물로부터의 전달 응답을 측정하기 위한 온도 센서들로서 사용될 수 있다.
예를 들어, 주기적인 열 신호가 중심 와이어(가열 엘리먼트(120))에 인가되며, 그 결과, 예를 들어 열은 가열 엘리먼트에 의해 방사된다. 열 전달은, 가열기(120)로부터 분석될 가스로 그리고 가스로부터 센서 와이어로(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)로) 알려지지 않은 열 전이들을 통해 발생할 수 있다. 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)에 의해 그러한 방식으로 검출된 열 전달은 전달 응답으로서 또는 센서 신호(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130)에 의해 검출된 제1 센서 신호 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)에 의해 검출된 제2 센서 신호)로서 이해될 수 있다. 예를 들어, 가열기(120)에 대해 상이한 거리들에 있는 2개의 동일한 센서들(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140))을 이용하여 온도 응답(예를 들어, 전달 응답)을 측정함으로써, 측정 배열에서의 알려지지 않은 열 전이들이 제거될 수 있다. 2개의 센서 신호들의 위상 및 진폭은 본질적으로 가스에 의한 열 전달에 의존할 수 있다.
1.1.1 실시예: MEMS 와이어 센서로서의 가스 센서(100)(검출기 저항기들(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(130)의 저항)에서의 TCR(온도 저항 계수)의 평가)(섹션 1.2에 따른 신호 생성 및 평가 그리고 섹션 1.3에 따른 평가 알고리즘과 조합하여 선택적으로 사용가능한 대안적인 실시예).
열 가스 센서(100)의 제1 변형은 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼 기판에 기초하여 구축될 수 있다. 예를 들어, 그것은 분석될 가스 공간에서 펼쳐지는 실리콘 마이크로 와이어들로 제조된 자체-지지 미세 브리지 구조들(예를 들어, 제1 온도 센서 구조(130) 및 제2 온도 센서 구조(140))을 갖는 마이크로칩으로 이루어진다. 중심 와이어는 가열기(120)로서 구현될 수 있으며, 2개의 검출기 와이어들(예를 들어, 제1 온도 센서 구조(130) 및 제2 온도 센서 구조(140))은 가열기에 대해 상이한 거리들로 가열기의 양측 상에서 온도 센서들로서 사용될 수 있다(도 2a, 도 2b 참조).
예를 들어, 도 2a는 (좌측 측부 상의) 광 현미경에서의 MEMS 와이어 센서 칩(가스 센서(100))의 이미지를 도시하고, 도 2b는 (우측 측부 상의) 주사형 전자 현미경에서의 구조들의 근접도를 도시한다.
도 3은, 예를 들어 가스 센서의 가열 엘리먼트, 제1 열 엘리먼트 구조, 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조에 대해 사용될 수 있는 실리콘 브리지(120/130/140)의 개략적인 예시를 도시한다. 다시 말하면, 도 3은 열 MEMS 와이어 센서(예를 들어, 가스 센서)의 마이크로 브리지(SEM, 즉 주사형 전자 현미경)의 세부사항을 도시한다. 예를 들어, 예시된 실리콘 브리지(120/130/140)는 SOI 기술로 제조될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 프레임(150)의 기판 또는 캐리어 재료는 산화물 재료(152), 실리콘 재료(154), 및 알루미늄 재료(156)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 브리지를 실현하기 위해, 실리콘 재료(154)는 프레임의 캐리어 재료에서 컷아웃들(158)(예를 들어, 트렌치들)을 실현하고 그에 따라 실리콘 브리지(120/130/140)를 실현하기 위해 부분적으로 제거될 수 있다. 실리콘 브리지(120/130/140)는 (예를 들어, 산화물 재료(152)로 이루어진) 멤브레인(110) 상에 배열될 수 있다.
예를 들어, 멤브레인(110)은 제1 단절 영역(160/162) 및 제2 단절 영역(170/172)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 단절 영역(160/162) 및 제2 단절 영역(170/172)은 공동(cavity)일 수 있는 단절부를 포함한다. 따라서, 멤브레인(110)은 제1 단절부(162) 및 제2 단절부(172)를 포함할 수 있으며, 여기서 분석될 가스가 배열될 수 있고, 실리콘 브리지가 가열 엘리먼트(120)를 구성하면, 열이 실리콘 브리지(120/130/140)로부터 그 단절부들로 전달되거나, 또는 실리콘 브리지(120/130/140)가 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)를 구성하면, 그들은 열을 실리콘 브리지(120/130/140)에 전달할 수 있다. 실리콘 브리지(120/130/140)는 알루미늄 재료(156)에 의해 접촉될 수 있으며, 그 결과, 알루미늄 재료(156)는, 예를 들어 본드 패드(bond pad)로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본드 패드에 의해, 여기성 가열기 신호가 가열 엘리먼트(120)에 인가될 수 있거나, 또는 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)가 판독될 수 있다(예를 들어, 제1 또는 제2 센서 신호).
SOI 기술의 장점들:
*● 결정질(Crystalline) 저항 경로들, 즉 검출기들에 대한(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)에 대한)의 온도 저항 계수(TCR)는 (활성 층에서의) 웨이퍼 재료의 기본 도핑에만 의존할 수 있다;
● 온도 검출기들(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140))의 저항기들의 높은 기본 저항에서 백금에서와 유사한 크기의 TCR은, (1 mm보다 짧은) 브리지 구조들(120, 130, 140)의 (예를 들어, 프레임(150)의 프레임 측으로부터 프레임(150)의 대향하는 프레임 측으로의) 짧은 저항 경로들로 인해, 소형화된 센서 치수들(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)의 치수들)을 가능하게 하고, 저항 온도 검출기들(RTD)(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140))의 영역에 대해서는, 예를 들어 측정 동작 동안 360 μW 미만의 전력 입력을 필요로 할 수 있는, 8 kOhm보다 큰 기본 저항 값들이 사용될 수 있으므로, 자체-가열로 인한 상당히 작은 온도 측정 에러들을 가능하게 한다.
● 주입에 의해 낮은 동작 전압(바람직하게는 3.3 v)에 적응가능한 (예를 들어, 가열기(120)의) 가열기 저항;
● 옴(ohmic) 센서 저항의 매우 균일한 분포, 예를 들어 매우 협소한 프로세스 필드에서 웨이퍼(예를 들어, 프레임(150)) 위의 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)의 저항, 특히 검출기 저항들(예를 들어, 센서 저항들)의 허용오차들은, 예를 들어 활성 층(활성 층, 기본 도핑, 및 재료 두께)에서의 SOI 재료의 허용오차들 뿐만 아니라 딥(deep) 에칭(딥 RIE)의 측방향 구조 정확도에 의해 결정된다.
SOI 기술의 단점들:
● 웨이퍼들을 구매할 때의 상당히 값비싼 SOI 기판 재료;
● 원하는 사양(웨이퍼 직경, 핸들 및 활성 층의 재료 두께, 활성 층의 도핑)이 종종 이용가능하지 않음;
● 현재 구조들의 패시베이션이 없음, 특정한 상황들 하에서, 패시베이션은 열 입력 시의 층들의 상이한 재료 팽창, TCR의 특성 곡선의 변동을 유발한다;
1.1.2 실시예: 박층 멤브레인 상의 MEMS 써모파일 센서로서의 가스 센서(100)(섹션 1.2에 따른 신호 생성 및 평가 및 섹션 1.3에 따른 평가 알고리즘과 조합하여 선택적으로 사용가능한 양상 1에 따른 실시예).
도 4는 좌측 측부 상에서는 가스 센서(100)의 개략적인 예시 및 우측 측부 상에서는 가스 센서(100)의 상세도를 예시한다.
일 실시예에 따르면, 가스 센서(100)는 멤브레인(110), 및 멤브레인(110)의 제1 단절 영역(160)과 멤브레인(110)의 제2 단절 영역(170) 사이에서 멤브레인(110) 상에 배열될 수 있는 가열 엘리먼트(120)를 포함할 수 있다. 제1 단절 영역(160)은 단절부(162)를 포함할 수 있고, 제2 단절 영역(170)은 단절부(172)를 포함할 수 있다.
제1 단절부(162) 및/또는 제2 단절부(172)는 (예를 들어, 가열기로 지칭될 수 있는) 가열 엘리먼트(120)의 최대 팽창 방향에 평행한 길이방향 팽창을 포함할 수 있고, 예를 들어 가열 엘리먼트(120)의 최대 팽창 방향에 수직인 방향으로 측방향 팽창을 포함할 수 있다. 따라서, 도 4에 따르면, 제1 단절부(162)는 제2 단절부(172)보다 더 큰 측방향 팽창을 가질 수 있다. 부가적으로, 도 4에 따르면, 제1 단절부(162) 및 제2 단절부(172)는 동일한 길이방향 팽창을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 단절부(162) 및 제2 단절부(172)는, 제1 단절부(162) 및 제2 단절부(172)가 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140) 각각과 가열 엘리먼트(120) 사이의 영역을 완전히 커버할만큼 충분히 큰 길이방향 팽창을 포함한다. 따라서, 예를 들어, 제1 단절부(162) 및 제2 단절부(172)의 길이방향 팽창은 가열 엘리먼트(120)의 전체 길이를 따라 연장된다. 이것은 가열 엘리먼트(120)에 의해 방사된 열의 대부분이 멤브레인(110)을 통해 전달되는 것을 회피한다. 따라서, 열의 대부분이 제1 단절부(162) 및 제2 단절부(172)에 배열된 가스를 통해 개개의 열 엘리먼트 구조(130, 140)로 전달되는 것이 달성될 수 있다.
예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130)는 제2 열 엘리먼트 구조(140)와는 상이한, 가열 엘리먼트(120)에 대한 거리를 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 4에 따르면, 제1 열 엘리먼트 구조(130)는 제2 열 엘리먼트 구조(140)보다 가열기에 대한 더 큰 거리를 포함한다. 예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130)는 제1 단절부(162)에서 가열 엘리먼트(120)로부터 가스로의 그리고 가스로부터 제1 열 엘리먼트 구조(130)로의 제1 열 전달(210)을 검출할 수 있고, 이를 제1 센서 신호로서 감지할 수 있다. 예를 들어, 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 제2 단절부(172)에서 가열 엘리먼트(120)로부터 가스로의 그리고 가스로부터 제2 열 엘리먼트 구조(140)로의 제2 열 전달(220)을 검출하고, 이를 제2 센서 신호로서 제공할 수 있다. 가열 엘리먼트(120)에 대한 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)의 상이한 거리로 인해, 차이 신호가 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호로부터 형성될 수 있으며, 그 결과, 알려지지 않은 전이들(예를 들어, 가열 엘리먼트로부터 가스로의 그리고/또는 가스로부터 개개의 열 엘리먼트 구조로의 전이)이 계산될 수 있고, 따라서 가스 센서(100)는 제1 단절부(162) 또는 제2 단절부(172)에서 가스를 통한 열 전달을 주로 또는 유일하게 고려한다.
일 실시예에 따르면, 열 센서(100)는 멤브레인(110)을 펼칠 수 있는 프레임(150)을 더 포함할 수 있다. 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 멤브레인(110) 상에 적어도 부분적으로 그리고 프레임(150) 상에 적어도 부분적으로 배열될 수 있다. 이러한 경우, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)는 가열 엘리먼트(120)를 향하도록 배열되는 핫 단부들(132, 142)을 포함할 수 있다. 부가적으로, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)는, 각각 핫 단부들(132, 142)을 갖는 측부에 대향하는, 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)의 일 측부 상에 배열될 수 있고, 그에 따라 가열 엘리먼트(120)로부터 멀어지는 쪽을 향하게 배열되는 콜드 단부들(134, 144)을 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 핫 단부들(132, 142)은 멤브레인(110) 상에 배열될 수 있고, 콜드 단부들(134, 144)은 프레임(150) 상에 배열될 수 있다. 이러한 경우, 예를 들어, 프레임(150)은 멤브레인(110)과는 상이한 재료를 포함할 수 있다. 이를 통해, 예를 들어, 기준 온도는 핫 단부들(130, 142)에 의해 측정된 온도에 관해 프레임(150)의 프레임 재료에 의하여 콜드 단부들(134, 144)에 적용되고, 가열 엘리먼트(120)로부터 전달될 수 있다.
다시 말하면, 예를 들어, 가스 센서(100)의 좌측 예시는 레이아웃을 구성할 수 있고, 도 4의 우측 측부는 가스 타입-의존 열 전달을 측정하기 위해 가스 센서(100)(예를 들어, MEMS 멤브레인 센서)의 이미지(양상 1에 따른 실시예)를 구성할 수 있다. 예를 들어, 도 4는 멤브레인(110)의 일정한 단절부(예를 들어, 제1 단절부(162) 및 제2 단절부(172))를 갖는 가스 센서(100)의 변형을 도시한다. 예를 들어, 일정한 단절부(162, 172)는 가열기(120)와 검출기들(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)) 사이에서의 열 전달의 주요 부분이, 예를 들어 2개의 엘리먼트들 사이에 둘러싸인 측정 가스 볼륨을 통해, 예를 들어 제1 단절부(162) 및 제2 단절부(172)에 배열된 측정 가스를 통해 강제적으로 발생하게 한다.
예를 들어, 가스 센서(100)의 기술적인 제조에서의 프로세스 노력을 감소시키고 가스 타입-의존 열 전달(210, 220)의 측정 동안 감도를 증가시키기 위해, 마이크로칩은 가열기 구조들(120) 및 써모파일 구조들(130, 140)(검출기들)을 갖는 박층 멤브레인(110)에 기초하여 실현될 수 있으며, 여기서 박층 멤브레인(110)은 가열기(120)와 검출기들(130, 140) 사이의 측방향 영역에서 에칭될 수 있다.
(예를 들어, 섹션 1.1.1에 설명된) 와이어 센서와 비교하여, 멤브레인 센서(예를 들어, 가스 센서(100))는 이원 혼합물의 가스 농도에 대해 동일한 감도로 열 에너지의 1/3만을 필요로 한다. 와이어 센서와 동일하게, 가열기 구조(예를 들어, 가열 엘리먼트(120))는, 예를 들어 검출될 가스의 측정 공간에 중심으로 펼쳐지는 자체-지지 미세 브리지 구조로서 위치된다. (예를 들어) 가열기(120)에 대해 상이한 거리들로 양측 상에 배열된 2개의 검출기 와이어들은, (멤브레인(110)의) 측방향으로 펼쳐지는 멤브레인 표면들 상에 위치될 수 있는 (예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140)의) "써모파일" 구조들로 대체될 수 있고, 예를 들어 트렌치 에지(예를 들어, 제1 단절부(162) 또는 제2 단절부(172)의 에지)까지 도달할 수 있다.
예를 들어, 써모파일들(130, 140)의 콜드 단부들(134, 144)은, 높은 열 전도율(예를 들어, 실리콘 대략 150 W/(*K))을 가질 수 있고 열 싱크(실온 부근의 냉각체)로서 기능할 수 있는 (예를 들어, 프레임(150)의) 캐리어 재료와 직접 접촉해야 한다. 예를 들어, 실리콘으로부터 접촉부들을 전기적으로 절연시키는 기본 멤브레인 재료(멤브레인(110)의 재료)는 써모파일들의 콜드 단부들(134, 144)과 실리콘 사이에 위치된다. 그러나, 이러한 층이 매우 얇으므로, 써모파일들로부터의 열은 실리콘으로 효과적으로 전달될 수 있다. 이러한 방식으로, (예를 들어, 핫 단부들(132, 142)에 의해 측정된) 과온도는 (예를 들어, 콜드 단부들(134, 144)에 의해 측정된) 실온에 대한 직접적인 차이로서 측정될 수 있다. 예를 들어, 온도 보상을 위한 측정 위치는 실리콘 칩(예를 들어, 프레임(150)) 상에 또는 그것에 직접 기계식으로 연결된다.
멤브레인(110)의 멤브레인 재료의 열 전도로 인한 가열기(120)와 검출기 구조들(130, 140) 사이의 열 전달(210, 220)의 기생 효과를 감소시키기 위해, 멤브레인(110)은 결과적으로, 검출기들(130, 140)로의 가열기(120)의 열 전달(210, 220)이 주로 가장 짧은 측방향 거리를 통해 수행될 수 있고, 그에 따라 예를 들어, 그들 사이에 위치된(예를 들어, 제1 단절부(162) 및 제2 단절부(172)에 배열된) 측정 가스의 볼륨에 걸친 경로를 통과하도록 인터럽트될 수 있다. 그 결과, 가열기(120)의 주기적인 열 펄스들에 대한 센서(130/140)의 가스 타입-의존 전달 응답(예를 들어, 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호)은 상당히 증가될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 5는 그의 좌측 측부 상에 가스 센서(100)의 개략적인 예시를 그리고 우측 측부 상에 가스 센서(100)의 확대된 상세도를 도시한다. 도 5의 가스 센서(100)는 도 4의 가스 센서(100)와 동일한 특징들 및 기능들을 포함할 수 있으며, 여기서 도 5의 가스 센서(100)는 제1 단절 영역(160) 및/또는 제2 단절 영역(170)의 설계에서 도 4의 가스 센서(100)와 상이할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 5의 가스 센서(100)의 제1 단절 영역(160)은 다수의 단절부들(162i)을 포함할 수 있고, 제2 단절 영역(170)은 또한 다수의 단절부들(172i)을 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 가스 센서(100)의 제1 단절 영역(160)의 단절부들(162i)의 인덱스 i는, 제1 단절 영역(160)이 도 5의 실시예에 따른 23개의 단절부들을 포함할 수 있으므로 1 내지 23에 도달할 수 있다. 예를 들어, 가스 센서(100)의 제2 단절 영역(170)의 단절부들(172i)의 인덱스 i는, 제2 단절 영역(170)이 도 5의 실시예에 따른 14개의 단절부들을 포함할 수 있으므로 1 내지 14에 도달할 수 있다. 선택적으로, 단절부들(162i) 및 단절부들(172i)의 인덱스 i는, 예를 들어 자연수를 정의할 수 있으며, 여기서 인덱스 i는 얼마나 많은 단절부들(162i, 172i)이 단절 영역(160, 170)에 존재하는지를 표시한다.
단절부들(162i, 172i)은 가열 엘리먼트(120)의 최대 팽창 방향에 평행한 행들로 제1 단절 영역(160) 및 제2 단절 영역(170)에 각각 배열될 수 있고, 행들은 부가적으로 서로 오프셋되게 배열될 수 있다. 예를 들어, 이것은, 멤브레인 재료에 의해 형성되는, 연속적인 행들의 측방향 리지들(112)(예를 들어, 가열 엘리먼트(120)로부터 개개의 열 엘리먼트 구조(130, 140)로, 가열 엘리먼트(120)의 최대 팽창 방향에 수직인 방향으로 연장됨)은 서로 오프셋되게 배열된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 이것은 멤브레인(110) 내의 기생 열 전도(114a, 114b)가 가능한 긴 경로를 통과하게 한다.
예를 들어, 단절부들(162i, 172i)은 그리드 구조가 멤브레인(110)에서 생성되도록 배열되며, 여기서 멤브레인(110)을 통한 기생 열 전도(114a, 114b)의 경로는 직접 경로(210, 220)보다 길다. 예를 들어, 직접 경로(210, 220)는 가열 엘리먼트(120)로부터 개개의 열 엘리먼트 구조(130, 140)까지의, 가열 엘리먼트(120)에 수직인 직선 경로일 수 있으며, 여기서 직접 경로(210, 220)는 단절부들(162i, 172i)에 배열되는 분석될 가스를 통과할 수 있다. 예를 들어, 기생 열 전도(114a, 114b)의 경로는 도 5에 예시된 바와 같이, 멤브레인(110)을 통해 직선으로 연장되지 않아야 하지만, 권선 경로를 형성해야 한다. 예를 들어, 멤브레인(110)에 걸친 어떠한 직접적인 열 경로도 존재하지 않아야 한다. 이것은, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)가 직접 경로(210 및/또는 220)를 통한 가열 엘리먼트(120)로부터의 열 전달을 검출할 수 있고, 기생 열 전도(114a, 114b)의 영향들이 그 방향에서 최소화될 수 있는 것을 가능하게 하며, 그 결과, 가스는 매우 정밀하게 분석될 수 있다.
예를 들어, 단절부들(162i, 172i)은, +/- 20°의 허용오차로 열 전도의 주 방향(예를 들어, 가열 엘리먼트(120)로부터 열 엘리먼트 구조들(130, 140)로의 직접 경로(210, 220))에 수직일 수 있는 길이방향 단절부들일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단절부들(162i, 172i)은 둥근 코너들을 갖는 직사각형 컷아웃들일 수 있다. 예를 들어, 이들은 또한 길이방향 홀로 지칭될 수 있고, 예를 들어, 이들은 또한 타원형 홀들일 수 있다. 이러한 경우, 단절부들(162i, 172i)은 그들의 폭보다 적어도 3배 더 길 수 있다. 예를 들어, 길이는 가열 엘리먼트(120)의 최대 팽창에 평행한 방향으로서 정의될 수 있고, 폭은 가열 엘리먼트(120)의 최대 팽창에 수직인 방향으로서 정의될 수 있다. 이러한 특징으로 인해, 기생 열 전도(114a, 114b)의 경로는 매우 길도록 실현될 수 있으며, 그 결과, 가스 센서(100)에 의한 가스 분석의 품질이 증가될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 각각 제1 단절 영역(160) 및 제2 단절 영역(170) 내의 단절부들(162i, 172i)은, 단절부들(162i, 172i) 사이의 거리(116a, 116b)가 기계적으로 내구성있는 그리드 구조를 초래하는 가장 작은 실현가능 구조 폭에 대응하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 거리(116a, 116b)는 멤브레인(110) 위에서 멤브레인 재료로 제조된 리지들의 폭이다. 거리(116a, 116b)가 작게 실현될수록, 기생 열 전도(114a, 114b)가 작아질 수 있으며, 그 결과, 가스 센서(100)에 의한 가스 분석의 품질이 증가될 수 있다. 이러한 경우, 거리(116a, 116b)는, 단절부들(162i, 172i)에 의해 생성된 그리드 구조 멤브레인(110)이 가스 센서(100)에 의한 가스 분석의 높은 품질을 보장하기 위해 기계적으로 내구성있도록 선택되어야 한다.
다시 말하면, 도 5는, 예를 들어 (직접 경로(210, 220)를 통한) 가스 타입-의존 열 전달을 측정하기 위한 MEMS 멤브레인 센서(예를 들어, 가스 센서(100))의 레이아웃(양상 1에 따른 실시예)을 예시할 수 있다. 따라서, 도 5의 가스 센서(100)는 가스 센서(100)의 기계적 안정성을 증가시키기 위해 멤브레인(110)의 멤브레인 재료로 제조된 그리드 구조를 갖는 변형을 예시할 수 있다. 그리드의 기하학적 형상은, 기생 열 전도(114a, 114b)가 멤브레인 재료에서 가능한 긴 경로를 통과해야 하도록 선택될 수 있다.
도 5는 (예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및 제2 열 엘리먼트 구조(140)의) 검출기 엘리먼트들과 가열기 엘리먼트들(120) 사이의 그리드 구조를 도시하는 가스 센서(100)의 추가적인 실시예를 도시하며, 이는, 장기 동작에서 가스 센서(100)의 기계적 안정성을 개선시키기 위한 것이다. 그러한 배열은, 열 전도가 이제 또한 멤브레인 재료의 그리드 리지들을 통해 기생 방식(114a, 114b)으로 발생할 수 있으므로, 열 가스 센서(100)의 가스 타입-의존 감도를 감소시킬 수 있다. 따라서, 가열기(120)로 주기적으로 입력되는 열 에너지의 일부는 가장 짧은 측방향 거리(210, 220)를 통하여 측정 가스를 통해 전달되는 열 에너지의 일부보다 더 쉽게 검출기 구조(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140))로 전달될 수 있다. 저역 통과 필터로서 주기적인 여기에 응답할 수 있는 검출기들(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140))의 열 질량으로 인해, 예를 들어, 2개의 열파 런타임들(예를 들어, 직접 경로(210)를 통한 열 전달을 갖는 기생 열 전도(114a) 및/또는 직접 경로(220)를 통한 열 전달을 갖는 기생 열 전도(114b))은 단일 정현파 검출기 신호로(예를 들어, 제1 센서 신호 또는 제2 센서 신호로) 함께 루프화된다.
예를 들어, 그리드의 기하학적 형상은, 기생 열 전도(114a, 114b)가 멤브레인 재료에서 가능한 긴 경로를 통과해야 하도록 선택된다. 예를 들어, 타원형 홀들(예를 들어, 단절부들(162i, 172i))은 열 전도의 주요 방향에 대해 측방향으로 위치된다. 예를 들어, 타원형 홀들의 종횡비는, 그들이 그들의 폭보다 적어도 3배 더 길도록 이루어지며, 예를 들어, 리지 폭(예를 들어, 거리(116a, 116b))은 이용가능한 층 기술을 이용한 기계적으로 내구성있는 그리드 구조를 초래하는 가장 작은 실현가능 구조 폭에 대응한다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 가스 센서(100)의 추가적인 실시예들의 개략적인 예시들을 도시한다. 이러한 경우, 도 6a, 도 6b, 및 도 6c의 가스 센서(100)는 도 4 및/또는 도 5의 가스 센서(100)와 동일한 특징들 및 기능들을 포함할 수 있다. 가스 센서(100)의 제1 단절 영역(160) 및 제2 단절 영역(170) 내의 가스 센서들(100) 사이에 차이들이 존재할 수 있다.
따라서, 예를 들어, 도 6a의 가스 센서(100)는 제1 단절 영역(160)에 8개의 단절부들(162i)을 그리고 제2 단절 영역(170)에 8개의 단절부들(172i)을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 예를 들어, 단절부(162i)는 단절부(172i)보다 큰 측방향 연장부를 포함할 수 있다. 부가적으로, 단절부들(162i, 172i)은 각각, 그들의 단절 영역들(160 및 170) 내에 상이한 길이방향 팽창들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 6b의 가스 센서(100)는 8개의 단절부들(162i)을 갖는 제1 단절 영역(160) 및 연속적인 단절부(172)를 갖는 제2 단절 영역(170)을 포함한다. 따라서, 예를 들어, 도 6b의 변형에서, 도 6a 및/또는 도 5 및 도 4의 변형들은 단절 영역들(160, 170)에서 서로 조합된다.
예를 들어, 도 6c의 가스 센서(100)는 수 개의 단절부들(162i, 172i)을 갖는 제1 단절 영역(160) 및 제2 단절 영역(170)을 포함하며, 여기서 예를 들어, 제1 단절 영역(160)은 23개의 단절부들(162i)을 포함할 수 있고, 제2 단절 영역(170)은 14개의 단절부들(172i)을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 예를 들어, 단절 영역(160 및 170)의 각각의 단절부들(162i, 172i)은 동일한 측방향 팽창 및/또는 동일한 길이방향 팽창을 포함할 수 있다. 선택적으로, 단절부들(162i, 172i)이 행들에서만 동일한 길이방향 팽창 및/또는 측방향 팽창을 포함하는 것이 또한 가능하다.
따라서, 다시 말하면, 도 6a, 도 6b 및 도 6c는 멤브레인의 천공들(예를 들어, 단절부들(162i, 172i))의 수 및 사이즈가 상이한 MEMS 멤브레인 센서(예를 들어, 가스 센서(100))의 추가적인 레이아웃 변형들(양상 1에 따른 실시예)을 예시할 수 있다.
멤브레인 기술(실시예들)에 대한 써모파일 구조들(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140))의 장점들:
● 웨이퍼 재료의 속성들이, 예를 들어 두께, 표면 품질, 및 트렌치를 구조화하기 위해서는 적응된 기본 도핑에 관해서만 특정되어야 하므로, 비용-효율적인 기판들 상에서 프로세싱된 간단한 5-마스크 MEMS가 가능하다.
● (예를 들어, 멤브레인(110)의 경우) 트렌치의 SOI 구조화에 대한 가스 센서와는 대조적으로, 적응된 기본 도핑에 관해 특정되어야 한다.
● 예를 들어, 구조들(예를 들어, 가열 엘리먼트(120), 멤브레인(110), 제1 열 엘리먼트 구조(130), 제2 열 엘리먼트 구조(140))은 보호 층들로 패시베이팅되며, 측정 가스에 위치될 수 있고 활성 센서 구조들(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(130) 및/또는 제2 열 엘리먼트 구조(140))을 에칭하고, 그에 따라 그들을 기계적으로 약화시키거나 열적으로 변화시키는 자유 라디칼(free radical)들에 대해 더 양호한 저항을 제공한다.
● 예를 들어, 기판과 비교하여, 박층 멤브레인(110) 상의 가스 센서(100)는 동일한 가스 감도를 달성하기 위해 가열 전력의 1/3만을 필요로 하며, 전력 입력은 SOI 기술에서 36 mW와는 대조적으로 대략 12 mW이다.
● 온도-가변 저항 구조들(RTD) 대신, 써모파일들(130, 140)이 측정 공간에서 열 분포 필드의 검출기들로서 실현될 수 있으며: 예를 들어, 써모파일들(130, 140)의 전자 신호 평가는 0,6 μW이고, 따라서 거의 효과가 없지만, SOI 기술의 저항 구조들에 기초한 검출기들(예를 들어, 도 2a, 도 2b, 또는 도 3의 제1 열 엘리먼트 구조(130), 제2 열 엘리먼트 구조(140))은 안정적인 신호 생성을 위한 전류 흐름을 필요로 하고, 그 결과, 가열 전력이 검출기에 인가되며, 그 가열 전력은 대략 140 μW이고, 따라서 낮지만, 그것은 써모파일 기술과 비교하여 200배 더 크고 RTD 검출기들의 자체-가열에 기여하며, 따라서 기생 방식으로 가스 선택도를 감소시킬 수 있다.
멤브레인 기술의 단점들:
● 미세 천공된 멤브레인들(110)은 생산 프로세스 및 장기 동작에서 파손될 수 있으며, 최적화된 설계(예를 들어, 도 4, 도 5, 도 6a, 도 6b, 또는 도 6c)가 선호된다.
1.1.3 센서 원리(선택적인 세부사항들)
도 7은 열 센서(100)의 기본적인 원리를 예시하고(가스 센서는 본 명세서에서 열 센서로 또한 지칭될 수 있음): 명확하게 보여질 수 있는 것은, 분석될 가스 혼합물에 의한 열 커플링을 이용하는 가열기(120)와 센서 구조들(130, 140)(제1 온도 센서 구조 및 제2 온도 센서 구조는 본 명세서에서 센서 구조들, 검출기 구조들, 센서들, 온도 센서들 또는 검출기들로 또한 지칭될 수 있음) 사이의 공간 분리; 및 센서 구조들(130, 140)을 이용한 측정이다. 이러한 경우, 센서 구조들(130, 140)은 가열기(120)에 대해 상이한 거리들로 또는 동일한 거리로 배열될 수 있다.
다시 말하면, 도 1은 측정될 가스를 통한 가열기(120)와 검출기들(130, 140) 사이의 열 전달의 경로(122a, 122b)에 대한 기본적인 센서 원리의 개략적인 예시를 도시한다.
● 가열기(120) 및 센서들(130, 140)은 매체에 의해 분리된다.
가열기(120) 및 센서(들)(130, 140)는 매체에 개별적으로 배열되며, 분석될 가스에 의해 둘러싸인다. 예를 들어, 가열기(120)로부터 온도 센서들(130, 140)로의 열 흐름(122a, 122b)이 가스 그 자체를 통해서만 수행된다.
● 여러 거리들에서의 측정
예를 들어, 열 전달(122a, 122b)은 또한, 가열기(120)로부터 분석될 가스로 알려지지 않은 열 전이들(122a1, 122b1)을 통해 그리고 가스로부터 센서 구조(130, 140)로 알려지지 않은 열 전이들(122a2, 122b2)을 통해 수행된다. 2개의 거리들(1801, 1802)에서 측정할 때, 열 전이들(122a1, 122b1, 122a2, 122b2)은 거의 동일하다. 센서 신호들 둘 모두의 차이는 본질적으로 매체 그 자체에 의한 열 전달에 의존한다.
● 동일한 거리들에서의 측정
여러 거리들로의 측정과 유사하게, 이러한 경우, 알려지지 않은 열 전이들(122a1, 122b1, 122a2, 122b2)이 또한 존재한다. 2개의 센서 신호들의 합을 평가함으로써 매우 정밀한 가스 분석이 또한 수행될 수 있으며, 특정한 상황들 하에서, 알려지지 않은 열 전이들(122a1, 122b1, 122a2, 122b2)이 또한 분석에서 고려될 수 있다.
여러 거리들에서 측정할 때, 합 신호가 대안으로서 평가될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
차이 신호의 신호-잡음 거리가 합 신호에서보다 작으므로, 차이 신호를 평가하기 위해 합 신호를 평가하는 것이 선호된다는 것을 추가로 유의해야 한다.
선택적으로, 차이 신호 및 합 신호(공통 표준화임)의 몫이 평가를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 이것은, 합 신호만 또는 차이 신호만 평가되는 경우처럼 측정 효과를 더 강력하게 강조한다.
● 전기적 유사성
열 흐름들을 식별하고 추정하기 위해 전기적 유사성이 생성되었다(예를 들어, 도 8 참조). 열 손실을 최적화하는 것은, 예를 들어 가열 엘리먼트(120)를 통해 가열 전력을 너무 많이 공급할 필요 없이 센서(130, 140)의 감도를 증가시키기 위한 필수 인자이다.
일 실시예에 따르면, 도 8은 도 7의 가스 센서(100)의 특징들 및 기능들을 포함한다. 다시 말하면, 도 8은 가스 센서(100)에서의 열 전달의 개략적인 예시를 도시한다. 가열기(120)(온도 TH)로부터 센서(130, 140)(온도 TS)로의 열 전달은 본질적으로, 측정될 가스를 통해 발생한다.
1.2 동작 시의 가스 센서의 실시예: 임베디드 시스템 상에서의 신호 생성 및 신호 평가
1.2.1 기능적 원리(선택적인 세부사항들)
정현파 가열 전력(122)을 이용하면, 센서 구조들을 둘러싸는 가스의 열 속성들에 매우 의존하는 센서 신호들(210, 220)의 정현파 진행이 존재한다(예를 들어, 도 9 참조). 가열기(120)에 대해 상이한 거리들(1801, 1802)에 있는 2개의 동일한 센서들(130, 140)로 가열기(120)의 온도를 측정함으로써, 측정 배열에서의 알려지지 않은 열 전이가 제거 또는 감소될 수 있다.
평가에서, 방출된 그리고 수신된 주기적인 온도 파들이 비교된다(도 9 참조). 예를 들어, 가열기와 센서들 사이의 위상 시프트(212, 222)를 통한 신호(210, 220)의 교정은, 예를 들어 가스 센서에 의해 0.2 vol%인 것으로 공기 내의 CO2 함량을 분해시키는 데 사용될 수 있다. 가스들이 압축되어 압력 및 온도를 통해 그들의 밀도를 변화시킬 수 있으므로, 대응하는 드리프트들이 보상되어야 한다.
도 2는 CO2 및 N2에 대한 비교에서 정현파 가열 전력(122)을 이용한 여기 시의 신호들(210, 220)을 도시한다. 동일한 가열 전력(122)을 이용하면, 수신된 센서 신호들(210, 220)은 그들의 진폭, 오프셋 및 위상 위치에 관해 상이하다. 일 실시예에 따르면, 신호들(210, 220)은 가스 센서의 제1 열 엘리먼트 구조 및 제2 열 엘리먼트 구조의 신호의 차이 신호들이다.
센서가 제공하는 추가적인 측정량들을 평가함으로써, 열 전도율, 열 확산성, 및 가스의 밀도가 알려지면, 또한 특정 열 용량이 결정될 수 있으며, 알려지지 않은 가스 혼합물들을 분석하기 위한 가능한 접근법이 또한 결정될 수 있다.
박층 멤브레인들과 비교하여 자체-지지 브리지 구조들의 구조적 차이를 통해, 가열기와 검출기 엘리먼트들 사이의 기생 열 디커플링이 대부분 달성되어, 신호 품질이 상당히 증가된다. 가열기의 낮은 열 질량으로 인해, 열이 신속하게 제공되고 소산될 수 있으므로, 최대 300 헤르츠의 주파수들로 가열기를 변조하는 것이 가능하다.
1.2.2 열 확산성을 결정하기 위한 이론적 고려사항(선택적인 세부사항들)
정현파 가열 전력(122)에서 열 확산성을 결정하기 위해, [Baehr 2008]에 따른 모델이 전파 온도 필드를 설명하는 데 사용될 수 있다.
다음의 수학식은 하나의 단부에 적용된 정현파 온도를 갖는 막대(rod)에서 길이방향 축 x를 따른 시간-의존적(시간 t) 온도 전파를 설명한다(평균값 Tm, 진폭 TA, 각 주파수 ω):
가열기로부터 가스 매체로 진입할 때, 온도 필드는 위상 시프트 
및 감쇠 
를 경험한다.
매체에 의해 커버되는 경로 x에 의존하여, 온도 필드는 위상 시프트 
및 감쇠 
를 경험한다. 경로-의존 값들 k1의 변화를 위한 필수 인자는 [Baehr 2008]에 따르면 열 확산성 
, 각 주파수 ω, 및 그에 따라 여기 주파수 f에 의존한다:
고체와 가스 사이의 열 전달에서의 영향들을 고려하기 위한 인자는 인자 k1, 열 전달 계수 α, 및 열 전도율 λ로부터 초래된다:
열 침투 계수 b: 
를 갖는 
(4)
위에서-언급된 모델에 따른 열 확산성을 결정하기 위해, 위상 시프트의 평가가 충분하다. 수학식 (1)의 총 위상 시프트는 다음에 해당한다:
2개의 상이한 거리들에서의 2개의 온도 측정들을 비교할 때, 일정한 열 전이 효과들은 서로 상쇄된다:
차이들 
및 
로 간략화하면, 다음과 같다:
그리고 (3)을 이용하면 다음이 초래된다:
다음은 (원형 척도의 각도들로) 열 확산성 α에 대해 적용된다:
위상 시프트들이 각도 단위로 이용가능하면, 다음이 열 확산성 α에 대해 적용된다:
온도 파는 그의 여기와 동일한 각 주파수로 고조파적으로 진동하며, 매체 내의 증가하는 침투 깊이에 따라 신속하고 강하게 감쇠되는 반면, 위상 시프트들은 증가한다. 매체의 진동 지속기간 및 열 확산성이 증가함에 따라, 침투 깊이 및 파 길이가 증가한다. 위상 각도가 2π만큼 상이한 2개의 측정 포인트들 x1 및 x2 사이의 거리로부터 초래되는 온도 진동의 파장 Λ를 고려할 때, 온도 파의 침투 깊이가 도출될 수 있으며, 여기서 온도 진폭은 매체로의 진입 포인트 x=0에서 그의 값의 n번째 부분으로 감소된다. 다음이 적용된다:
따라서, 진폭의 감쇠는 또한 매체의 열 확산성에 대한 척도이다.
1.2.3 열 전도율을 결정하기 위한 이론적 고려사항(선택적인 세부사항들)
매체의 열 전도율 λ는 측정 공간의 평균 온도 분포에 의해 표현된다. 측정 공간의 볼륨에서의 평균 가열기 온도 및 가스 타입 및/또는 혼합물 농도에 의존하여, 평균 온도가 온도 검출기들에서 발생하며, 상기 평균 온도는 검출기들을 통해 가열기로부터 하우징 벽으로 가스 매체를 통하여 흐르는 열 흐름에 비례한다. 가열기의 온도 및 검출기들의 온도는 열 전도율을 결정하기 위해 알려져야 하며, 요구되는 평균 가열 에너지가 열 전도율의 척도로서 결정되면, 예를 들어 적절한 교정을 이용하여, 검출기(바람직하게는, 가열기에 더 가까운 검출기)를 일정한 온도로(그 온도 초과로) 제어하기에 충분하다.
[Simon 2002] 및 [Baar 2001]에 따르면, 가스들의 열 전도율을 측정하기 위한 기본적인 원리는, 가스에서 독립적인 가열기 엘리먼트(예를 들어, 핫 와이어 또는 "핫 플레이트")를 이용하여 흐름이-없는 측정 공간에서 주변 온도 초과의 초과 온도가 생성된다는 것이다. 이러한 초과 온도 ΔT를 유지하는 데 필요한 가열 전력은 열 전도율 λ의 직접적인 척도이고, 다음의 관계식을 이용하여 설명될 수 있으며:
여기서, G는 배열의 기하학적 상수를 표현한다. 정확한 측정을 위한 조건은, 대류 열 흐름이 측정 에러를 유발하므로, 측정 공간의, 예를 들어 데드 볼륨(dead volume)의 또는 확산 장벽 뒤의 정지 가스이다[Baar 2001]. 이들 측정 에러들은 문헌에서 논의되며, 여기서 대류 열 흐름의 존재 시에 열 전도율을 측정할 수 있는 방법들이 또한 제안된다[IST AG 2011, 2013, 2015]. 더욱이, 가열기의 주기적인 여기를 이용하는 방법들이 알려져 있으며, 그 방법들은 푸리에 분석에 의해 이원 가스 혼합물들의 농도 뿐만 아니라 수 개의 컴포넌트들의 혼합물들을 결정할 수 있다[Grien 2012].
1.2.4 본 발명의 가스 센서의 임베디드 마이크로제어기, 전자 시스템 및 소프트웨어(선택적인 세부사항들)
전자 시스템 및 신호 평가의 목적은, 예를 들어, 가능한 저렴한 소형화 시스템을 이용하여 가스 농도에 직접 의존하는 신뢰할 수 있는 측정 결과를 생성하는 것이다. 부가적으로, 본 발명의 가스 센서는, 공기 혼합물 내의 탄소 농도가 매우 동적으로 변할 수 있는 호흡 가스 모니터에서 사용가능해야 한다. 따라서, 가스 센서는 흡기 및 호기의 호흡 사이클에서 가스 조성물의 변화들을 분당 60 스트로크의 레이트까지 해결할 수 있어야 한다. 따라서, 센서 신호들의 빠른 평가가 바람직하다.
1.2.4.1 하드웨어
1.2.4.1.1 실시예: 본 발명의 가스 센서의 가열기 제어(양상 3에 따른 실시예들, 선택적인 세부사항들)
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 열 가스 센서에 대한 가열기 제어의 전기 회로도를 도시한다. 예를 들어, CPU는 하부 및 상부 가열기 전압을 특정하고, 이들 2개의 값들 사이에서 제어된 방식으로 앞뒤로 타이머들을 스위칭한다. CPU는 가열 전력을 계산하기 위해 특정한 시점들에서 현재 가열 전류를 측정할 수 있다. 다시 말하면, 도 10은 전압 사양 및 전류 측정을 갖는 가열기 공급부를 예시한다.
정현파 가열기 여기의 예를 사용하여, 감쇠된 진동에 대한 원리들의 열 전달 현상으로의 전달에서 위의 이론적으로-고려된 유사성에서의 유사성과는 대조적으로, (예를 들어) 구형파 신호가 개발된 마이크로제어기 전자 시스템 상에서 생성된다. 프로세서에서의 타이머 구조들로 인해, 이러한 신호는 프로세서에 의해 그의 디지털/아날로그(DA) 포트 상에서 출력될 합성 정현파 신호보다 훨씬 더 정밀하게 생성될 수 있다.
예를 들어, 2개의 가열기 전압들이 DA 변환기를 통해 특정된다. 이것은, DA 변환기가 SPI를 통해 제어되고, 새로운 DA 값이 채용되는 시점이 선택된 프로세서 컴포넌트(CPU)를 이용하여 정확하게 결정되지 않을 수 있다는 사실 때문이다. 그러나, 이것은 센서 응답의 위상 위치를 결정할 수 있기 위한 전제 조건이다. 따라서, 예를 들어, 2개의 전압들 중 하나가 아날로그 스위치를 통해 가열기 증폭기에 교대로 인가된다. 예를 들어, 가파른 스위칭 에지들이 시스템에서 덜 전파되기 위해, 그들은 다운스트림 저역-통과 필터에 의해 평활화된다. 연산 증폭기(OP) 회로는 가열기에 의해 필요한 전압 레벨로 전압을 상승시킨다. 예를 들어, 추가적인 OP는 전류 측정 저항기에서의 전압 강하를 보상한다. 전류가 측정되고 가열기 전압이 알려져 있으므로, 가열기 전력이 계산될 수 있다. 이것은, 가열기 저항이 온도에 따라 변할 수 있기 때문에 중요하다.
예를 들어, 50%의 가열기 듀티 사이클이 사용될 수 있다(여기서, 예를 들어, 50% +/-2%의 듀티 사이클을 갖는 주기적인 구형파 신호가, 예를 들어 가열기에 인가됨).
대안적으로, 더 짧은 듀티 사이클들이, 예를 들어 5..50%의 범위에서 사용될 수 있다.
정현파(Upp/2에서 오프셋됨, 포지티브 범위에서는 반파들 둘 모두)와 구형파 사이에서 동일한 전력을 획득하기 위해, 42%의 듀티 사이클이 "동등한" 구형파 신호 또는 동일한 전력을 갖는 구형파 신호에 대해 요구된다.
일부 실시예들에서, 듀티 사이클을 제어함으로써 가열기 전력을 적응시키는 것은 실현되지 않지만(이것은 MSP430 상에서 더 어려움), 더 강력한 마이크로제어기들을 사용할 때에는 관심이 있으며: 고정된 동작 전압이 사용될 수 있고, 듀티 사이클이 변화될 수 있다(PWM 제어의 타입).
다시 말하면, 듀티 사이클을 변화시킴으로써 (평균) 가열기 전력을 세팅하는 것이 선택적으로 가능하다. 대안적으로, 가열기 전력은 (가열기에 인가된 전압의) 전압 레벨 또는 (가열기 또는 가열 엘리먼트를 통해 흐르는 전류의) 전류 레벨을 변화시킴으로써 세팅될 수 있다. 2개의 옵션들이 또한 조합될 수 있다.
1.2.4.1.2 실시예: 가스 센서의 검출기 신호 평가부(선택적인 세부사항들)
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 가스 센서의 검출기 신호 평가부의 전기 회로도를 도시한다. 이러한 경우, 가스 센서의 제1 열 엘리먼트 구조 및 제2 열 엘리먼트 구조는 개개의 검출기 신호(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조 또는 제2 열 엘리먼트 구조에 의해 검출되고, 본 명세서에서 센서 신호로 또한 지칭될 수 있음)에서, 가스 센서의 가열 엘리먼트로부터 제1 열 엘리먼트 구조 및 제2 열 엘리먼트 구조로 분석될 가스를 통해 전달되는 열을 평가하기 위해 도 11에 예시된 검출기 신호 평가부를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 도 11은 센서 1(제1 열 엘리먼트 구조)의 검출기 신호 평가부를 예시한다. 이러한 경우, 예를 들어, 검출기 신호 평가부는 CPU로부터 제1 입력 신호, 예를 들어, DAC 신호(CO2_S1_Win)(돋보기 기능(magnifying glass function)) 및 제2 입력 신호, 예를 들어 검출기 신호(CO2_Sensor1)를 수신하고, 제1 출력 신호, 예를 들어 증폭된 검출기 신호(CO2_S1_an) 및 제2 출력 신호, 예를 들어 위상 평가를 위한 비교기 신호(CO2_S1_dig)를 제공하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, CPU는, 센서 신호의 진폭이 ADC 범위 내에서 유지되도록 가열기를 제어한다. 예를 들어, 센서 신호는 돋보기 기능을 통해 ADC 경계들 내에서 유지된다. 예를 들어, 위상 평가는 MSP430 타이머 구조들(시간 구조들)을 사용하여 비교기를 통해 수행된다.
(예를 들어, 열 엘리먼트 구조의) 센서 와이어의 저항 변화는 매우 낮다. 이러한 이유 때문에, 높은 증폭 인자를 갖는 증폭기가 선호되거나 필요하다. (예를 들어, 센서 신호들의) 입력 전압의 절대 값이 많은 인자들에 의존하므로, 이러한 값을 보상하는 것이 추천된다.
하나의 가능성은 교류(AC) 증폭기를 사용하는 것일 것이다. 단점은, 그것이 알려지지 않은 위상 시프트를 야기한다는 것이다.
따라서, 예를 들어, 어떠한 위상 시프트도 갖지 않는 직류(DC) 증폭기가 사용되었다. 신호의 DC 컴포넌트를 보상하기 위해, 일 실시예에서, 네거티브 입력 단자는 연산 증폭기(OP)의 차동 입력에서 검출기 신호의 평균값으로 상숭되며, 소프트웨어 제어기에 의해 능동적으로 추적되며, 프로세서의 디지털-아날로그 변환기(DAC)는 이러한 전압을 직접 출력한다. OP에서의 차동 입력의 상이한 동작으로 인해, 입력 전압들의 DC 컴포넌트들은 서로 차감되어, 신호의 AC 컴포넌트만이 증폭된다. 이를 위해, 일 양상에 따르면, 아날로그로부터 디지털로 변환된 (ADC) 신호가 측정되며, 그것이 ADC에 의해 검출될 수 있는 합리적인 경계들 내에 있는지 여부에 관한 검사가 수행된다. 신호가 OP의 전압 상한 또는 하한을 히트(hit)하면, DAC 값이 그에 따라 적응된다. 이것은, 증폭된 신호가 최적의 동작 범위 또는 동작 윈도우에서 지속적으로 유지되는 증폭기를 초래하며, 여기서 OP에서의 증폭 인자는 DC 컴포넌트, 즉 "돋보기 기능"의 타입을 제거함으로써 증가될 수 있다. 보상을 위해 필요한 DAC 값은 평가를 위한 추가적인 파라미터로서 사용될 수 있으며, 그 파라미터를 이용하여, 절대 평균 온도가 결정될 수 있고, 가스 혼합물의 열 전도율이 수학식 (5)로부터의 관계식을 통해 결정될 수 있다.
센서 신호의 위상 위치를 결정하기 위해, 예를 들어, 슈미트 트리거가 사용되었다. 슈미트 트리거는, 그것이 센서 신호의 제로 크로싱 바로 위 또는 바로 아래에서 스위칭하도록 세팅된다. 여기서, 신호가 가장 가파르며, 따라서 가장 작은 위상 잡음을 야기한다. 예를 들어, DC 컴포넌트가 커패시터를 통해 제거된다. 이것은 센서 응답의 위상 결정을 가능하게 한다.
프로세서(MSP430, 텍사스 인스트루먼트)의 내부 타이머 구조들을 사용함으로써, 0.009°의 이론적인 위상 분해능이 가능하다. 그러나, 이것은 회로의 잡음으로 인해 달성되지 않는다.
1.2.4.2 실시예: 가스 센서에 대한 소프트웨어(선택적인 세부사항들; 양상들 3 및 4에 따른 기능들이 함께 설명되지만, 개별적으로 사용될 수 있음)
예를 들어, 소프트웨어는 상이한 태스크들을 갖는다:
● 가열기 전압에 대한 시작 값들, 센서 신호들의 샘플링 시간들 및 DC 동작 포인트에 대한 시작 값을 세팅함(돋보기 기능).
● 초기에, 예를 들어, DC 동작 포인트를 찾기 위한 시도가 행해진다. 이를 위해, 2개의 센서들의 DAC 값들은, 예를 들어 센서 신호가 ADC 범위에 중심설정되도록 세팅된다.
● 특정한 시점들에서 센서 전압을 측정함. 진폭을 결정하기 위해, 가정된 최대 및 최소에서 전압이 검출된다. 샘플링 시간이 부정확하게 선택되었다는 것을 인식하기 위해, 가정된 "제로 크로싱"에서 다른 측정이 행해진다. 샘플링 시간들이 정확하면, 예를 들어, 다음이 적용된다:
샘플링 시간들이 부정확하면, 위의 수학식은 더 이상 정확하지 않다. 예를 들어, 소프트웨어는 이것으로부터, 샘플링 시간들이 적응되어야 한다는 것을 인식할 수 있다. 예를 들어, 재조정이 소프트웨어를 통해 비활성화될 수 있다. 그것은, 신호가 ADC 경계들 내에 있는 경우에만 수행된다.
● 진폭 제어기가 활성이면, 예를 들어, 특정한 타겟 값으로 Sensor1 신호의 진폭을 유지하기 위한 시도가 행해진다. 예를 들어, 가열기 에너지는, S1 진폭이 적어도 3/4만큼 ADC 범위를 채우도록 조정된다. 제어기는 선택적으로, 소프트웨어를 통해 스위칭 오프될 수 있다. 부가적으로, 예를 들어, 제어기는 샘플링 시간들 또는 DC 오프셋들이 변화되지 않는 경우에만 활성이다. 이것은 선택적으로, 이러한 제어 루프가 정상 상태에서만 활성이라는 것을 보장한다.
● 슈미트 트리거 회로의 도움으로 센서 신호의 위상 위치를 결정함(선택적). 세팅에 의존하여, 다음 샘플링 기간 동안의 센서 신호의 3개의 샘플링 시간들의 계산이 또한 여기서 수행된다.
● 주변 압력 및 온도가 추가적인 센서들을 통해 검출된다(선택적).
1.2.4.3 실시예: 가스 센서에 대한 소프트웨어 제어기(선택적인 세부사항들)
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 열 가스 센서에 대한 소프트웨어의 인터리빙된 제어기들의 개략적인 예시를 도시한다.
수 개의 인터리빙된 제어기들이 소프트웨어에서 동작한다. 가장 안쪽의 제어기는 DC 동작 포인트 제어기이다. 예를 들어, 그것이 정상 상태에 있는 경우에만(DC 오프셋이 적응될 필요가 없음), 샘플링 시간들을 추적하는 것이 수행된다. 진폭 제어 루프에서, 예를 들어, S1의 진폭이 일정하게 유지되지만, 예를 들어, DC 오프셋 및 샘플링 시간이 적응될 필요가 없는 경우에만 유지된다. 외측 제어 루프에서, S1 진폭을 조정하기 위해 필요한 가열 에너지는, 열 시스템이 그 자체를 특정한 가스 혼합물들의 큰 대역폭에 동적으로 적응시킬 수 있도록 (선택적으로) 조정될 수 있다.
진폭을 결정하기 위해, 예를 들어, 센서 와이어 당 3개의 A/D 샘플들, 즉 하부 피크에서의 최소값, 제로 크로싱, 및 상부 피크에서의 최대값이 필요하다. 예를 들어, 프로세스는 다음과 같다:
● 예를 들어, 모든 AD 값들이 초기에 현재 세팅으로 측정된다.
● 이제, 예를 들어, S1 및 S2에 대한 최소/최대 A/D 값들이 유효한 범위에 있는지 여부에 관한 검사가 수행된다. 그렇지 않으면, 증폭기의 DC 동작 포인트가 (DAC를 통해) 재조정되고, 모든 추가적인 제어기들이 일시적으로 스위칭 오프된다. 센서 채널들 둘 모두가 허용된 동작 범위(A/Dmax < 3900, 또는 A/Dmin > 200, 즉 4096 디지트들의 A/D 범위의 5..95%의 범위) 내에 있을 때에만, 추가적인 제어기들이 다시 활성이게 된다.
● 진폭의 정확한 측정을 보장하기 위해, A/D 변환이 정확한 시간에(검증을 위해 제로 크로싱, 및 상부/하부 피크에서) 수행되어야 한다. 예를 들어, 현재, 이를 행하기 위한 2개의 방식들이 존재한다:
○ A/D 변환 그 자체를 통해: 제로 크로싱의 시간은 A/D 값들의 최소 및 최대 피크에 대한 2개의 측정된 시간들 사이의 시간의 절반으로 예상되고, 즉 (min+max)/2가 제로 크로싱에서의 A/D 값에 대응해야 한다. 편차들의 경우, 다음 측정을 위한 샘플링 시간이 적응된다. 예를 들어, 대략 0.625°(도) 또는 14.47 μs의 편차가 허용된다.
○ 비교기 신호를 통해: 비교기가 센서 신호의 제로 크로싱의 시간에 스위칭하므로, 예를 들어, A/D 측정들이 수행될 시간이 결정될 수 있으며: 포지티브 에지의 스위칭 시간의 측정 값에서, 90°(또는 상부 피크의 경우에는 2.0833 ms), 180°(네거티브 에지의 제로 크로싱의 경우에는 4.1666 ms), 및 270°(하부 피크의 경우에는 6.2499 ms)가 부가된다. 여기서, 0.625°의 편차가 또한 허용된다.
● 예를 들어, 제어기들 둘 모두(DC 동작 포인트 및 위상)가 제어 값들의 변화를 요구하지 않고, 그에 따라 정상 상태에 있는 경우에만, 진폭 제어기가 효력을 발휘할 것이다. 그것은, S1의 원하는 진폭이 달성되도록 가열기 값을 재조정한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 2개의 검출기 증폭기들의 DC 동작 포인트들의 제어 및 추적을 예시한 블록 다이어그램을 도시한다.
도 4는 S1 진폭 제어기들 및 검출기 신호들의 진폭 측정들을 위한 샘플링 시간들의 추적을 예시한 블록 다이어그램을 도시한다. 예를 들어, 모든 제어기들이 튜닝(tune)되면, 가스 혼합물은 검출기들의 진폭 및 위상에 대한 측정된 값들로 평가된다.
일 실시예에 따르면, 도 13a 및 도 13b는 하나의 블록 다이어그램인 것으로 고려될 수 있으며, 여기서 도 13b는 블록 "샘플링 시간들을 추적함"을 통해 도 13a에 연결된다.
1.2.4.4 실시예: 가스 센서에 대한 타이밍 테이블(선택적인 세부사항들)
예를 들어, 마이크로제어기의 아날로그-디지털 변환기가 가열기의 전류 소비 및 검출기 전압들(센서 신호들에 대한 일 예)을 측정하는 ADC 측정 시간들은 2개의 가열기 펄스 기간들에 걸쳐 연장되는 소프트웨어의 타이밍 테이블에서 정의된다. 일 실시예에 따르면, 예를 들어 하나의 타이머만이 가변 ADC 제어를 위해 사용되는 프로세서 상에서 이용가능하므로, 이들 2개의 기간들이 필요하다. 가열기가 120 Hz로 동작되면, 가스 혼합물 평가를 위해 관련있는 모든 측정 값들은 2개의 기간들 이후, 즉 60 Hz의 주파수로 획득된다. 가열기의 펄스 형상이 그 기간에 걸쳐 안정적이므로, 입력 가열기 전류는 고정된 시간들에서: 피크 값의 경우에는 45°에서 그리고 하부 열 전류 값(일반적으로는 제로)의 경우에는 170°에서 측정될 수 있다. 검출기 당 개개의 3개의 ADC 측정 값들(상부 및 하부 피크, 및 제로 크로싱)은 타이밍 테이블에서 정의되는 시간 윈도우들에서의 가변 측정 값들로서 예상된다.
● ADC_SENSOR1:
○ CO2-S1-min: 33.6° .. 123.6° (778 μs .. 2861 μs)
○ CO2-S1-Null: 123.6° .. 213.6° (2861 μs .. 4944 μs)
○ CO2-S1-max: 213.6° .. 303.6° (4944 μs .. 7028 μs)
● ADC_SENSOR2:
○ CO2-S2-min: 68.6°-141.4° (1588 μs .. 3273 μs)
○ CO2-S2-Null: 158.6°-231.4° (3671 μs .. 5356 μs)
○ CO2-S2-max: 248.6° .. 321.4° (5755 μs .. 7440 μs)
1.3 실시예: 가스 센서의 가스 압력 및 가스 온도(예를 들어, 양상 2에 따름; 선택적인 세부사항들)에 대한 드리프트 보정을 이용한 가스 혼합물에 관한 교정을 위한 평가 알고리즘
1.3.1 가스 혼합물들에서의 측정들
1.3.1.1 이원 혼합물
도 14는 일정한 온도 및 일정한 압력에서의 위상 신호에서 센서의 CO2 의존성을 예시적으로 도시한다. 여기서, 예를 들어, 3개의 위상 시프트들이 예시된다: 200 μm의 거리를 갖는, 가열기와 검출기 1 사이의 위상 차이 D1-Hz.dPhi(적색), 300 μm의 거리를 갖는, 가열기와 검출기 2 사이의 위상 차이 D2-Hz.dPhi(청색), 및 검출기 2와 검출기 1 사이의 위상 차이 D2-D1.dPhi(녹색, 우측의 y축). 일 실시예에 따르면, 도 14는 p=1010 mbar의 압력, Tamp=24℃의 온도, 및 f=120 Hz의 주파수의 P=(15±12.5) mW의 가열 전력에서의 공기 내의 CO2의 (0...5) vol%에 대한 위상 시프트 가열기-검출기들을 예시한다.
도 15는 검출기들(D1 및 D2)에서의 예시적으로 측정된 진폭들, 및 센서의 CO2 의존성에 관하여 가열기 진폭에 대해 형성된 진폭들의 합 신호를 예시한다. 여기서, 예를 들어, 검출기 1에서의 진폭(D1.Uss)(적색) 및 검출기 2에서의 진폭(D2.Uss)(청색)이 예시된다. 예를 들어, CO2 농도의 증가 시에, 즉 가스 혼합물의 열 확산성의 증가 시에, 2개의 진폭 신호들이 떨어진다. 예를 들어, 검출기 진폭들의 합과 가열기 진폭의 차이를 형성함으로써, 상대적인 진폭 신호 sigUss=2*Hz.Uss-(D1.Uss+D2.Uss)(녹색, 우측 y축)가 가스 혼합물 내의 CO2 함량의 증가에 따라 증가할 것이다. 일 실시예에 따르면, 도 15는 p=1010 mbar의 압력, Tamp=24℃의 온도, 및 f=120 Hz의 주파수의 P=(15±12.5) mW의 가열 전력에서의 공기 내의 CO2의 (0...5) vol%에 대한 검출기들의 진폭들을 예시한다.
1.3.1.2 입력 의존성
센서 신호는 압력 및 온도에 매우 의존할 수 있다. 따라서, 가스 속성들을 정확하게 결정하기 위해, 교차-효과(cross-effect)들이 알고리즘에 의해 알려지고 보정되어야 한다. 예를 들어, 도 16은 절대 압력에 관한 그리고 상이한 온도들에 대한 공기 내의 센서 신호의 교차-감도를 예시한다. 예시적으로 예시된 것은, f=120 Hz의 주파수를 갖는 P=(15±12,5) mW의 가열 전력의 공기에서 상이한 온도들 Tamp=(18...28)℃에 걸친 입력 p=(910...1110)에 관해 공기에 대한 검출기들(D2 내지 D1) 사이의(예를 들어, 제1 열 엘리먼트 구조(D1)와 제2 열 엘리먼트 구조(D2) 사이의) 위상 시프트(D2-D1)의 교차-감도이다.
이론적으로 계산된 바와 같이, 압력 영향은 선형 관계를 나타내고, 온도 영향은 제곱 관계를 나타낸다. 교차-감도들 둘 모두는 대략 가스 농도에 대한 크기이다.
1.3.1.3 가열 전력 및 주파수 의존성
도 17a는 CO2의 측정에서 주파수에 걸친 위상에 대한 센서 신호의 예시를 도시한다. 다시 말하면, 도 17a는 주파수의 함수로서 100% CO2의 위상 시프트의 다이어그램을 도시한다. 위상은 포화로 진행한다.
도 17b는 CO2의 측정에서 주파수에 걸친 진폭에 대한 센서 신호의 예시를 도시한다. 다시 말하면, 도 17b는 주파수의 함수로서 100% CO2의 진폭의 다이어그램을 도시한다. 진폭은 제로를 향해 감소한다.
공기와 비교하여, 시스템이 그의 A/D 범위를 초과하지 않도록 연료 가스들의 측정들에서 가열 전력이 감소되어야 한다. 가열 전력 변동은, 가열 전력을 최소로 세팅하는 것과 비교하여, 가장 큰 가능한 센서 진폭으로 시스템을 동작시키고, 그에 따라 더 안정적인 신호들을 획득하는 것이 실제로 의미가 있다는 것을 나타내며, 여기서 샘플 가스는 열적으로 덜 영향을 받지만, 신호-대-잡음 거리가 또한 감소한다. 센서에 주기적으로 도입되는 가열 에너지는 이러한 기간 내에서 샘플 볼륨을 유지할 수 있어야 하므로, 예를 들어, 그 볼륨은 지속적으로 가열되지 않는다. 예를 들어, 120 Hz에서의 대략 26 mW의 피크 가열 전력이 3개의 측정 시스템들에서 특정되었다.
센서 거동은 1차의 이상적인 저역 통과 필터를 구성하며, 센서 신호에는 어떠한 오버톤(overtone) 스펙트럼 컴포넌트들도 존재하지 않는다. 이러한 이유 때문에, 주파수 스펙트럼을 능동적으로 스윕 스루(sweep through)하는 것은 부가적인 정보를 산출하지 않는다. 따라서, 고정된 주파수로 센서를 동작시키기로 판단되었으며, 이러한 시스템에 관한 전자기기들에 관한 노력은 감소될 수 있고, 보안된 값이 획득될 때까지의 필요한 측정 시간이 상당히 짧아진다(모두 선택적임).
가열기의 여기 주파수가 높을수록, 더 적은 에너지가 가스를 통해 가열기와 검출기 사이에서 전달될 수 있는데, 그 이유는, 센서 그 자체의 열 질량들이 고체와 가스 사이에서 전달 속도들을 제한하기 때문이다. 진폭은 제로를 향해 사라지는 신호까지 주파수 증가에 따라 감소하고(도 17b 참조), 위상 시프트는 그 자체를 최대로 포화시킨다(도 17a 참조).
상이한 가스 혼합물들에 대한 위상 분해능, 위상 차이 및 진폭의 최적을 형성하는 것은, 예를 들어 마이크로 센서 와이어에 대한 26 mW의 가열 전력의 120 Hz의 주파수 및 박층 멤브레인 상의 MEMS 써모파일에 대한 대략 8 mW에서 160 Hz의 주파수로 최상의 위상 응답을 초래했다(선택적인 세부사항들).
1.3.1.4 연료 가스 혼합물들
상이한 가스 조성물들이 측정 스테이션에서 검사되었다. 도 18은 거의 선형적인 거동으로서 질소 첨가의 증가에 따른 메탄에 대한 센서의 위상 신호의 변화를 도시한다. 예를 들어, 예시된 것은, 200 μm의 거리를 갖는, 가열기와 검출기 1 사이의 위상 차이 D1-Hz.dPhi(적색), 300 μm의 거리를 갖는, 가열기와 검출기 2 사이의 위상 차이 D2-Hz.dPhi(청색), 및 검출기 2와 검출기 1 사이의 위상 차이 D2-D1.dPhi(녹색, 우측의 y축)로서 메탄 내의 질소 농도의 함수로서의 위상 신호이다. 여기서, 일 실시예에 따르면, 가열기-검출기들 사이의 위상 시프트는 도 18의 p=990 mbar의 압력, 온도 Tamp=21℃, 및 f=120 Hz의 주파수의 P=(13±12.5) mW의 가열 전력에서의 메탄 내의 N2의 (0...30) vol%에 대해 예시된다.
도 19는 제1 검출기에 의해 검출된 진폭 D1.Uss(적색) 및 제2 검출기에 의해 검출된 진폭 D2.Uss(청색)의 다이어그램을 도시한다. 여기서, 일 실시예에 따르면, 검출기들의 진폭은 도 19의 p=990 mbar의 압력, 온도 Tamp=21℃, 및 f=120 Hz의 주파수의 P=(13±12.5) mW의 가열 전력에서의 메탄 내의 N2의 (0...30) vol%에 대해 예시된다. 예를 들어, 진폭 신호들 D1.Uss 및 D2.Uss는 메탄 내의 N2 농도의 증가에 따라, 즉 가스 혼합물에서 열 확산성을 감소시킬 때 떨어진다. 예를 들어, 검출기 진폭들의 합과 가열기 진폭의 차이를 형성함으로써, 상대적인 진폭 신호 sigUss=2*Hz.Uss-(D1.Uss+D2.Uss)(녹색, 우측 y축)가 N2 농도의 증가에 따라 증가한다.
도 20은 상이한 연료 가스 혼합물들에 대한 위상 및 진폭으로부터의 계산된 센서 신호 sigX(가스 센서의 조합 신호에 대한 일 예)의 다이어그램을 도시한다. 따라서, 도 20은 상이한 연료 가스들 및 그들의 혼합물, 즉 메탄, 에탄, 및 프로판 뿐만 아니라 혼합물들, 즉 메탄95-에탄05, 메탄93-에탄05-CO202, 메탄91-에탄05-CO204, 메탄91-에탄05-CO202-프로판02, 메탄90-에탄10 및 천연 가스-L(2 디지트 수들은 볼륨 퍼센트(percent by volume)로 가스 컴포넌트들의 비율을 표시함)에 대한 센서 신호(가스 센서의 조합 신호에 대한 일 예)를 도시한다. 메탄, 에탄 및 프로판은 서로 상당히 상이하지만, 메탄 혼합물들은 또한 상이한 가스들의 2 vol% 내지 10 vol%의 컴포넌트들로 서로 상이하다. 일 실시예에 따르면, 도 20은 p=1001 mbar의 압력, 온도 Tamp=26℃, 및 f=120 Hz의 주파수의 P=(13±12.5) mW의 가열 전력에서의 상이한 연료 가스들에 대한 센서 신호를 예시한다.
1.3.1.5 가스 혼합물들의 측정들로부터의 발견들
센서 신호는 강한 압력 및 온도 의존성들을 나타낸다. 따라서, 표준 조건들에 대한 추적성(traceability) 및 테이블들로부터의 비교를 이용하여, 알려진 혼합물의 가스 속성들을 정확하게 결정하기 위해, 예를 들어, 교차-효과들이 알려지고 보정되어야 한다. 압력 영향은 선형 관계를 나타내고, 온도 영향은 제곱 관계를 나타낸다. 교차-감도들 둘 모두는 대략 가스 농도에 대한 크기이다.
1.3.2 실시예: 가스 센서에 대한 가스 압력 및 가스 온도(예를 들어, 양상 2에 따름, 선택적인 세부사항들)에 관한 드리프트 보정을 이용하는 가스 혼합물에 대한 교정을 위한 방법
1.3.2.1 위상 및 진폭의 합 신호(예)
위상/진폭 측정의 조합은 특히 안정적인 센서 신호(조합 신호)인 것으로 나타났다. 예를 들어, 신호들 둘 모두는 별도의 상수들의 도움으로 가중되고, 부가되어, 그에 따라 조합되서, 예를 들어 다음과 같은 단일 센서 신호를 형성하며:
여기서, sigX는 계산된 합 신호를 표현하고, sigUss는 상대적인 진폭 신호를 표현하며, sigPhi는 검출기들 둘 모두의 부가된 위상 신호를 표현한다. 인자들 Ka 및 Kp는, 부분 신호들 둘 모두가 곱해지는 상수들이다. 예를 들어, 진폭 신호를 mV로 변환할 때, Ka = 1/3500이고, 위상 신호를 각도로 변환할 때, CO2의 30 vol%까지의 CO2 공기 혼합물에 대해 Kp = 1/276이다.
예를 들어, 부가된 위상 신호 sigPhi는 가열기 임펄스의 증가하는 에지와 검출기들에서의 증가하는 에지들 사이의 런타임들에 대한 2개의 위상 차이들의 합으로부터 형성된다. 예를 들어, 다음이 적용되며:
여기서, (D1-Hz).phi 및 (D2-Hz).phi는 가열기와 검출기들 사이의 위상 차이들을 구성하는 것이다.
도 14에서 알 수 있는 바와 같이, 가열기와 검출기들 사이의 위상 차이는 CO2 농도 증가에 따라, 즉 열 확산성 증가에 따라 증가하지만, 검출기들에서의 2개의 진폭들은 열 확산성 증가에 따라 떨어진다(도 15).
예를 들어, 상대적인 진폭 신호는 다음과 같이, 검출기 진폭들의 합과 가열기 진폭의 차이 형성으로 인한 가스 혼합물 내의 CO2 함량의 증가에 따라 증가하게 된다:
예를 들어, 위상 및 진폭들로부터 계산된 신호 sigX는, 예를 들어 CO2의 (0..6) vol%에 대해 (1.7..2.0) 사이의 범위에 있다. 디바이스(예를 들어, 가스 센서)는 (16..28)℃ 사이의 온도 범위에서 그리고 (900..1200) mbar 사이의 기압 필드에서 측정되었다.
1.3.2.2 다항식 보상을 통한 드리프트 보정(선택적인 세부사항들)
알려진 가스 혼합물로 센서를 교정할 때, 센서 신호의 강한 압력 및 온도 의존성은 측정 값으로부터 가스 농도를 추론할 수 있기 위해 보상되어야 한다.
예를 들어, 이것은, 가스 농도(CO2 [vol%]), 센서 신호 sigX(위상 및 진폭의 합 신호), 압력 드리프트 및 온도 드리프트로 이루어진 4차원 벡터 필드(매트릭스)를 초래한다. 일정한 주변 압력 또는 일정한 온도를 각각 나타내는 가스 농도와 온도 신호 사이의 의존성을 도시하는 도 21의 다이어그램 내의 개별 그래프들이 서로 평행하게 시프트된다는 것이 명확하다. 평균 그래프가 모든 평행한 시프트된 특성 곡선들로부터 이제 형성되면, 신호의 정규화된 관계는 평균 온도 및 평균 압력에 대해 획득된다(도 21의 적색 라인(230a) 참조).
도 21은 (900..1200) mbar의 압력 범위 및 (16..28)℃의 온도 범위에서의 질소 내의 CO2의 (0..5) vol%의 가스 농도 변동의 측정 데이터의 매트릭스를 도시한다. 압력-의존적 다항식 함수의 도움으로, 교정 곡선의 녹색 라인(230b)은 현재 동작 압력을 향해 시프트될 수 있다. 적색 라인(230a)은 모든 청색 라인들(2301 내지 23016)의 평균에 대응하며, 평규 온도 및 평균 압력으로 정규화된 가스 농도에 대한 센서 신호의 특성 곡선이다.
측정된 변동으로부터 센서 신호 sigX의 특성 곡선들을 도시한 것이 압력에 걸쳐 각각의 온도 및 평균 가스 농도에 대해 적용될 때(도 22 참조), 서로 평행하게 시프트된 직선들의 곡선들의 세트가 또한 획득된다. 더 높은 압력들 및 차가운 가스, 즉 서로 더 가까운 가스 분자들은 더 높은 센서 신호를 유발하고, 낮은 압력들 및 따듯한 가스는 낮은 신호 sigX를 초래한다.
따라서, 도 22는 평균의 고정된 가스 농도에 대한 센서 신호 sigX의 압력 의존성을 상이한 온도들의 곡선들의 세트로 도시한다. 가장 낮은 라인(2301)은 변동에서 28℃의 가장 높은 온도에서의 관계를 설명하고, 가장 높은 라인(2307)은 16℃에서의 신호의 압력 의존성을 예시한다.
수평 라인이 고정된 평균 센서 신호에 대해 도 22 내의 라인들의 평행한 세트에 배치되면 － 상기 수평 라인은 곡선들의 세트의 모든 라인들과 교차함 －, 도 23의 가스 압력과 가스 온도 사이의 관계가 획득된다.
도 23은 (평균 가스 농도 및 평균 센서 신호 sigX에 대한) 가스 압력과 가스 온도 사이의 약간의 제곱 관계를 도시한다.
1.3.2.3 회귀 상수의 결정(선택적인 세부사항들)
가스 센서를 특정 가스 혼합물로 교정할 때, 위에서-설명된 관계들을 통해 연속적으로 변동 매트릭스로부터 회귀들이 형성된다. 회귀 레벨 A는 교정 기준의 가스 농도와 센서 신호 sigX 사이의 관계를 설명한다. 압력 및 온도 당 개별 곡선은 각각, 형식 y = A.c0 + A.c1*sigX + A.c2*sigX^2에 따라 제곱 회귀로 근사된다. 모든 곡선들의 증가가 대략적으로 일정하고 제곱 계수 c2가 제로를 향해 진행하므로, 평균 값이 계수들 A.c0, A.c1 및 A.c2에 대한 모든 값들로부터 형성되며, 도 21에서 적색으로 예시된 중심 특성 곡선(230a)이 전체 측정 값 변동(2301 내지 23016)에 걸쳐 획득된다. 이것은 압력의 드리프트 영향에 따라 x 축 상에서 시프트되어야 한다. 압력-의존적 sigX0 = f(p)로 인해, 회귀 평면 A의 수학식으로 삽입되는 연관된 오프셋 A.c0이 추구된다.
회귀 평면 B는 센서 신호 sigX의 압력 드리프트를 설명한다. 오프셋 A.c0는 압력 드리프트의 함수: A.c0 = sigX.y0 - B.c1*pressure.x0 - B.c2*pressure.x0^2로서 다시 계산된다. sigX.y0 = 0이면, 수학식은 A.c0 = -(B.c1*pressure.x0 + B.c2*pressure.x0^2)로 간략화된다. 예를 들어, (현재) 압력-의존적 다항식 계수 A.c0=f(p)는 평면 A의 회귀 수학식에서 대체(치환)된다.
예를 들어, 회귀 평면 A의 다항식에 대한 결정된 압력-의존적 오프셋은 A.c1 = A.c0/sigX0에 따른 증가와 오프셋 사이의 각도 관계의 코사인 관계로부터 sigX0 = f(p) 및 A.c0 = (-1)*sigX*A.c1와 같이 계산된다. 고차의 다항식들을 이용하여, 곡선의 1차 도함수가 형성되어야 하며, 기준 포인트에서의 기울기가 그로부터 계산되어야 한다.
1.3.2.4 신호를 CO2 값으로 변환(예: 선택적인 세부사항들)
예를 들어, 회귀 평면 A의 다항식으로부터 계산된 가스 농도에 대한 값은 다음과 같이 압력 및 온도 드리프트에 의해 보정되며:
여기서, A.y(sigX), B.y(p) 및 C.y(T)는 측정 신호, 가스 압력, 및 가스 온도에 대한 개개의 전체 다항식들에 대응한다.
변동 범위의 기하학적 중심을 구성하는 고정된 기준들이 수학식으로 삽입되고, 그에 따라 다항식들이 풀리면, 다음의 수학식이 초래된다. B.ref = B.y(c.ref)의 경우, 다음이 적용된다:
C.ref = 1050 mbar가 삽입되면, 다음이 적용된다:
도 24는 형성된 센서 신호 sigX로부터의 압력 및 온도의 영향들을 고려하여 가스 농도를 결정하기 위한 개략적인 프로세스의 블록 다이어그램을 도시한다. 다시 말하면, 도 24는 진폭들 및 위상들로부터 센서 신호 sigX를 형성할 뿐만 아니라 압력 및 온도 영향을 고려하여 sigX로부터 가스 농도를 결정하기 위한 개략적인 예시를 도시한다(예).
알려진 가스 혼합물의 농도로의 센서 신호의 교정 이외에, 가스 혼합물의 열 확산성을 직접 결정하는 것이 또한 가능하다. 도 25에서, 이론적으로 계산된 열 확산성은 센서 신호 sigX에 관해 도시된다. 다시 말하면, 도 25는 질소 N2 내의 이산화탄소 CO2의 혼합물에서의 일정한 압력 및 일정한 온도에서 센서 신호 sigX에 관한 열 확산성을 도시한다. 열 확산성(2401)(적색 라인)은 CO2 농도(2402)(녹색 라인)의 증가에 따라 떨어진다.
따라서, 물리적 가스 속성들을 측정하기 위한 열 가스 센서의 설계 및 평가가 본 명세서에 설명된다. 본 발명에 따라, 다음이 제안된다(양상들은 서로 독립적이고, 조합하여 사용될 수 있음):
● 2개의 기술적 변동들, 즉 SOI 기판 상의 MEMS 와이어 센서 및 박층 멤브레인 상의 써모파일 센서에 기초한 센서 설계,
● 가스 센서의 동작: 임베디드 시스템 상에서의 신호 생성 및 신호 평가,
● 가스 압력 및 가스 온도에 관한 드리프트 보정을 이용하여 가스 혼합물을 교정하기 위한 평가 알고리즘.
1.4 시장 - 가능한 응용 영역들(선택적임)
호흡을 위한 의료 기술;
천연 가스 분석 - 발열량
오늘날, 시장에는 환자 인공호흡을 위한 다양한 시스템들이 존재한다. 이들(예를 들어, Heinen+L
wenstein, Dr
ger 및 Stephan Medizintechnik로부터의 시스템들)은 임상 및 홈 케어 섹터에서의 그들의 사용에 따라 구별된다. 이들 공급자들의 시스템들은 압력, 호흡 흐름, 및 호흡 가스 분석을 결정하기 위한 모든 필요한 측정 장비를 그들의 최상위 버전들로만 포함한다. 이를 위해, 주로 환자로부터 원격으로 측정하는 수 개의 디바이스들이 조합되어야 한다. 이로부터, 환자에게 가까운 CO2 함량 및 호흡 흐름의 비용-효율적인 측정이 아직 구현되지 않았고, 따라서 프로젝트의 혁신적인 내용이 하이브리드 필터들을 갖는 멀티-센서 시스템의 개발로 확인된다는 것이 도출될 수 있다.
우리의 의견으로는, 새로운 MEMS-기반 가스 측정 시스템의 성공적인 개발은 센서 기술 및 호흡 관리에 대해 상당한 발전을 표현한다. 하나의 센서 시스템으로의 센서들 둘 모두(CO2 및 흐름)의 통합은 설치 공간 및 시스템 무게(삽관치료된(intubated) 환자들에 대한 필수 기준)의 상당한 감소를 유발한다. 기도(airway)에 가능한 가까운 마스크 또는 튜브 상에서 직접적으로 환자에 가까운 측정 포인트만이 튜브들, 움직임들, 또는 간섭의 소스들로부터의 영향들을 회피하기 위해 충분히 정확한 측정을 가능하게 한다. 부가적으로, 열 측정 원리는 더 정확한 흐름 측정들 및 신속한 가스 분석을 제공하는 것으로 예상된다.
도 26, 도 27 및 도 28은 가스 센서의 가열기에 인가되는 가열 전압(300), 가열 기간(302) 동안의 전류 흐름(310), 본 발명의 평가 배열의 선택적인 ADC(아날로그-디지털 변환기)에 대한 측정 시간들(320), 및 검출기에 대한(예를 들어, 제1 검출기 또는 제2 검출기에 대한) 비교기 신호를 예시하는 다이어그램을 도시한다. 예를 들어, 본 발명의 평가 배열은 특정된 가열 전압(300)의 가열기를 통한 전류 흐름(310)의 측정에 기초하여 가열 기간(302) 동안 얼마나 많은 열이 가열기에 의해 소산되는지에 관한 정보를 획득하도록 구성된다. 일 실시예에 따르면, 평가 배열은 특정된 가열 전압(300)을 스위칭 온한 직후 그리고 특정된 가열 전압을 스위칭 오프한 직후에 전류 흐름(310)을 획득하도록 구성된다. 예를 들어, 이것은, 가열 전류(310)의 시작 피크(312) 및 전류 흐름(310)의 가열 전류 종료 값(314)이 평가 배열에 의해 프로세싱될 수 있다는 것을 의미한다.
일 실시예에 따르면, 시작 피크(312)는 동일한 가스 센서에 대해 동일한 값을 항상 갖는다(가능하게는, 1%, 0.5%, 또는 0.1% 미만의 작은 변동들이 존재할 수 있음). 도 26 내지 도 28에 예시된 실시예들에 따르면, 시작 피크(212)는 스위치-온 이후 2.93 V 및 대략 400μs에 항상 있다. 시작 피크(312)의 이러한 값은 도 26 내지 도 28에서 가스 센서에 대해 예시된다. 다른 가스 센서들의 경우, 시작 피크(312)의 값은 도 26 내지 도 28에 예시된 값으로부터 벗어날 수 있다. 여기서, 시작 피크(312)의 값이 상이한 가스 센서들 사이에서 벗어날 뿐만 아니라 구성상 동일한 가스 센서들 사이에서 벗어날 수 있다는 것을 유의해야 한다.
가열기가 가열 기간(302) 동안 가열되며, 그 결과, 가열기 저항은 포지티브 TCR(온도 계수)에 따라 증가하고, 가열기는 스위치-오프 순간에 종료 온도에 도달한다(Ihz=U/RHz → Ihz 
1/RHz). 가열 전류 종료 값(314)이 작을수록, 가열기가 더 뜨거워져서, 가열기를 둘러싸는 분석될 가스로 소산되는 열의 양의 작아지고, 가스 또는 가스 혼합물의 열 전도율이 작아진다.
도 26 내지 도 28에 따른 실시예에서, 가스 또는 가스 혼합물은 본 발명의 가스 센서 및/또는 본 발명의 평가 배열에 의해 분석된다. 여기서, 10%의 CO2 및 90%의 N2(질소)를 갖는 가스 혼합물은 도 26의 실시예에 따라 분석되고, 가스 질소(100%의 N2)는 도 27의 실시예에 따라 분석되며, 가스 산소(100%의 O2)는 도 28의 실시예에 따라 분석된다. 예를 들어, 이들 컴포넌트들은 상이한 열 전도율들, 예를 들어 0.0263 W/(m*K)의 열 전도율 λ을 갖는 산소, 0.0260 W/(m*K)의 열 전도율 λ를 갖는 질소 및 0.0168 W/(m*K)의 열 전도율 λ를 갖는 CO2를 포함한다.
도 26의 실시예에 따르면, 가열 전류 종료 값(314)은 2.7 V에 도달하고, 그 결과, 220 mV의 차이(deltaU=220 mV)가 스위치-온 전류(시작 피크(312))와 스위치-오프 전류(가열 전류 종료 값(314)) 사이에 도달된다. 도 27의 실시예에 따르면, 가열 전류 종료 값(314)은 2.71 V에 도달하고, 그 결과, 214 mV의 차이(deltaU=220 mV)가 스위치-온 전류(시작 피크(312))와 스위치-오프 전류(가열 전류 종료 값(314)) 사이에 도달된다. 도 28의 실시예에 따르면, 가열 전류 종료 값(314)은 2.72 V에 도달하고, 그 결과, 210 mV의 차이(deltaU=220 mV)가 스위치-온 전류(시작 피크(312))와 스위치-오프 전류(가열 전류 종료 값(314)) 사이에 도달된다. 다시 말하면, 평가 배열은 스위치-온 순간과 스위치-오프 순간 사이, 즉 콜드 가열기와 핫 가열기 사이에서 가열 전류(전류 흐름(310))의 차이를 프로세싱(검사)한다.
도 27 및 도 28의 실시예들과 비교하여, 도 26의 CO2 혼합물은 가장 높은 가열기 온도를 포함하며, 그 결과, CO2가 N2 및 O2와 비교하여 열 전도율의 절반만을 가지므로, 여기서, 가장 낮은 가열 전류(예를 들어, 가장 낮은 가열 전류 종료 값(314))에 도달한다. 이와 비교하여, 100 vol.%의 N2에서, 도 27에 따른 가열기는 도 26의 10%의 CO2 - 90%의 N2의 혼합물에서와 같이 종료 온도(예를 들어, 가열 전류 종료 값(314))에 도달하지 않는다. 유사하게, 100 vol.%의 O2에서, 도 28에 따른 가열기는 도 26의 10%의 CO2 - 90%의 N2의 혼합물에서와 같이 종료 온도(예를 들어, 가열 전류 종료 값(314))에 도달하지 않는다. 도 28에서, 210 mV의 경우, 스위치-온 전류와 스위치-오프 전류 사이의 차이가 가장 낮으며, 따라서, 여기서 분석되는 가스는 10%의 CO2 - 90%의 N2 혼합물(도 26 참조) 및 100 vol.%의 N2(도 27 참조)와 비교하여 가장 높은 열 전도율을 갖는다.
예를 들어, 일 실시예에 따르면, 예를 들어, 3 V로 가열될 수 있기 위해 본 발명의 가열기가 고도로 도핑되므로, 측정 효과는 최소이다. 부가적으로, 가열기의 TCR(온도 계수)은 낮을 수 있다(예를 들어, ≤ 6*10-3 1/K, ≤ 4.1*10-3 1/K, ≤ 3.9*10-3 1/K).
따라서, 본 가스 센서 및/또는 본 평가 배열을 이용하면, 예를 들어 센서 신호(예를 들어, 전류 흐름(310))는 제3 가스의 농도를 구별할 수 있기 위해 사용된다. 비상 인공호흡에서, 증가된 산소 농도가 사용된다. N2에서 50 vol.%의 O2의 혼합물을 사용하는 것이 일반적이다. 교정할 때 신선한 가스에 관해 더 높은 산소 농도로 센서 신호를 보정하지 않으면서, 가스 센서(예를 들어, CO2 센서, 이를테면 예를 들어, 본 발명의 가스 센서)는, 예를 들어 N2-O2 가스 혼합물에서 50 vol.%의 O2에서 -5%의 CO2의 농도를 나타낸다. 즉, 혼합물 내의 제3 가스 컴포넌트의 변화, 산소의 농도의 변화는 특정한 상황들 하에서 CO2 센서의 에러 신호를 유발한다. 유사하게, 질소 N2 내의 대략 56%의 산소 및 5%의 CO2의 농도 혼합물은 센서에서, 예를 들어, 21 vol.%의 O2 및 대략 78 vol.%의 N2를 이용한 신선한 가스 교정에서와 같이 0 vol.%의 CO2 농도를 나타낸다.
본 발명의 가스 센서의 농도 표시가 그에 따라 보정될 수 있도록 흡입 가스의 산소 농도를 센서에 표시할 어떠한 기술적 가능성도 존재하지 않으면, 예를 들어, 센서는 부정확한 값들을 표시할 것이다.
도 26 내지 도 28에서 알 수 있는 바와 같이, 열 전도율에 관한 정보는 가열기가 자신의 스위치-오프까지 도달하는 종료 온도에 위치된다. 가열의 시작 시의 전류 피크(312)와 스위칭 오프되기 직전의 종료 값(314) 사이의 온도 차이(deltaU)를 비교할 때, 가스 혼합물 내의 상이한 열 전도율들이 상이한 deltaU에서 도출될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 가열기는 일정한 전압(도 26 내지 도 28에 따라 D/A 출력에서 3000 디지트의 값에 대응함, 이는 일 예일 뿐이고 자유롭게 선택될 수 있음)으로 동작된다. 예를 들어, 션트(shunt) 저항기 및 전류 션트 모니터, 예를 들어 도 10의 경우와 같은 INA199A 컴포넌트 U402를 통한 전류 측정을 이용하여, 예를 들어, 가열 전류에 비례하여 작용하는 전압 신호가 획득된다. 도 26 내지 도 28은 오실로스코프에 기록된 신호들의 스크린 샷(screen shot)들을 예시하며, 여기서 가열기 전류 경로(전류 흐름(310))는 크게 확대된다(잡음은 측정 라인들을 차폐시킴으로써 감소될 수 있음). 예를 들어, 가열 전압(300)과 측정된 가열 전류(310)의 곱은 가열 전력에 관한 진술을 가능하게 한다. 가열기가 가열되어 그의 저항의 온도 그라디언트(TCR)로 인해 그의 내부 저항을 증가시키므로, 가열 전류(310)는 시간에 걸쳐 감소한다. 더 높은 내부 저항으로 인해, 동일한 가열 전압(IHz 
1/RHZ)에서 더 적은 전류가 흐를 수 있다.
가열기가 그의 주변 가스로 소산시킬 수 있는 에너지의 양은 무엇보다도 가스의 열 전도율에 의존한다. 예를 들어, N2 내의 10%의 CO2에서, CO2가 λ=0.0168 W/(m*K)의 열 전도율을 가지므로, 가열기는 많은 양의 열을 소산시킬 수 없으며, 따라서 가열기는 100% N2 가스와는 대조적으로 스위치-오프 이전에 더 높은 종료 온도에 도달한다. 측정에서, deltaU = 220mV의 차이가 결정되었다. 질소 N2는 λ=0.0260 W/(m*K)의 열 전도율을 가지며, 가열기는 100% CO2의 가스와 비교하여 열의 양의 2배를 소산시킬 수 있다. 측정에서, 214 mV의 deltaU가 결정되었다. 질소와 산소 O2 사이의 열 전도율들 간의 차이는 매우 크지는 않다. 그러나, 본 명세서에 설명된 가스 센서 및/또는 평가 배열을 이용하면, deltaU = 210 mV가 결정될 수 있으며, 이는 N2의 측정에서보다 약간 더 작다.
도 29는 일 실시예에 따른, 평가 배열에 대한 위상 정보 sigPhi를 표현할 수 있는 4개의 상이한 위상 신호들을 예시한다. 예시된 것은 제1 위상 차이에 관한 정보(210), 제2 위상 차이에 관한 정보(220), 위상 합(400)(정보(210) 더하기 정보(220)), 및 위상 차이(410)(정보(220) - 정보(210))이다. 일 실시예에 따르면, T=24℃의 온도 및 p=1013 mbar의 압력이 위상 정보(210, 220, 400 및 410)의 측정에 존재한다. 그러나, 이것은 단지 일 예일 뿐이며, 위상 정보(210, 220, 400 및 410)는 또한 상이한 주변 파라미터 세팅들(상이한 온도, 상이한 압력)로 캡처될 수 있다.
도 29에 예시된 실시예에 따르면, 제1 부분(예를 들어, 측정 포인트들(4520 내지 4620)은 N2 가스 혼합물 내의 10 vol.%의 CO2에 대한 개개의 위상 정보(210, 220, 400 및 410)를 구성하고, 제2 부분(예를 들어, 측정 포인트들(4670 내지 4780))은 100 vol.% N2의 가스에 대한 개개의 위상 정보(210, 220, 400 및 410)를 구성하며, 제3 부분(예를 들어, 측정 포인트들(4960 내지 5070))은 100 vol.% O2의 가스에 대한 개개의 위상 정보(210, 220, 400 및 410)를 구성한다. 예를 들어, 개별 부분들 사이의 지속기간들은 개개의 혼합물이 세팅될 때까지의 대기 시간들이다.
예를 들어, 위상 합(400)은 위상 위치들의 안정적인 합 신호(D1+D2)를 구성한다(D1은 검출기 1에 대응하고, D2는 검출기 2에 대응함). 예를 들어, 100 vol.%의 O2와 100 vol.%의 N2 사이의 구별은 모든 위상 정보에 대해 이용가능하다. 실시예에 따르면, 가장 큰 신호 차이는 N2 내의 0 vol.%의 CO2와 10 vol.%의 CO2 사이에서 발생한다. 위상 차이 신호(410)가 현재 매우 잡음이 있으므로, 위상 합(400)은 위상 정보로서 선호된다.
도 30은 제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(210) 및 제2 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(220)를 예시한다. 일 실시예에 따르면, 진폭 정보(210 및 220)를 측정할 때, T=24℃의 온도 p=1013 mbar의 압력이 존재한다. 그러나, 이것은 단지 일 예일 뿐이며, 진폭 정보(210 및 220)는 또한 상이한 주변 파라미터 세팅들(상이한 온도, 상이한 압력)로 캡처될 수 있다.
도 30에 예시된 실시예에 따르면, 제1 부분(예를 들어, 측정 포인트들(4520 내지 4650)은 N2 가스 혼합물 내의 10 vol.%의 CO2에 대한 개개의 진폭 정보(210, 220)를 구성하고, 제2 부분(예를 들어, 측정 포인트들(4670 내지 4810))은 100 vol.%의 N2의 가스에 대한 개개의 진폭 정보(210, 220)를 구성하며, 제3 부분(예를 들어, 측정 포인트들(4960 내지 5120))은 100 vol.%의 O2의 가스에 대한 개개의 진폭 정보(210, 220)를 구성한다. 예를 들어, 개별 부분들 사이의 지속기간들은 개개의 혼합물이 세팅될 때까지의 대기 시간들이다.
제1 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(210) 및 제2 검출기의 검출기 신호의 진폭에 관한 정보(220)는 안정적인 진폭 신호들을 구성하며, 예를 들어 여기서, D2(제2 검출기)는, 그의 진폭이 D1(제1 검출기)에서의 진폭보다 작으므로(공기 중에서 1.8 mV와 비교하여 대략 5 mV), 이러한 실시예에 따라 더 큰 잡음을 갖는다. 진폭 정보(210, 220)의 2개의 조각들에서, 위상 신호들(도 29의 210, 220, 400 및 410 참조)과 비교하여 100 vol.%의 O2와 100 vol.%의 N2 사이에 더 명확한 구별이 존재한다. 따라서, 평가 배열에 의해(예를 들어, 시스템이 신선한 공기 교정으로부터 너무 멀리 떨어져 드리프트되면) 제3 가스 O2의 농도를 추론하기 위해 위상과 진폭 사이의 비율들의 비교가 의미있을 수 있다.
도 31은 조합 신호 sigX(230)(우측 y축) 및 CO2 기준 신호(500)(좌측 y축)를 도시한다. 일 실시예에 따르면, 조합 신호 sigX(230)를 측정할 때, T=24℃의 온도 p=1013 mbar의 압력이 존재한다. 그러나, 이것은 단지 일 예일 뿐이며, 조합 신호 sigX(230)는 또한 상이한 주변 파라미터 세팅들(상이한 온도, 상이한 압력)로 캡처될 수 있다.
도 31에 예시된 실시예에 따르면, 제1 부분(예를 들어, 측정 포인트들(4610 내지 4650)은 N2 가스 혼합물 내의 10 vol.%의 CO2에 대한 조합 신호 sigX(230)를 구성하고, 제2 부분(예를 들어, 측정 포인트들(4700 내지 4810))은 100 vol.%의 N2의 가스에 대한 조합 신호 sigX(230)를 구성하며, 제3 부분(예를 들어, 측정 포인트들(4960 내지 5100))은 100 vol.%의 O2의 가스에 대한 조합 신호 sigX(230)를 구성한다. 예를 들어, 개별 부분들 사이의 지속기간들은 개개의 혼합물이 세팅될 때까지의 대기 시간들이다. 예를 들어, NDIR 기준 검출기(참조 신호(500) 참조)는 CO2 농도만을 검출하며, N2와 O2 사이를 구별할 수 없다.
3개의 가스 혼합물들 모두는 조합 신호(230)를 이용하여 명확하게 구별가능하다. 따라서, 제3 가스 O2의 농도를 추론하기 위해 위상과 진폭 사이의 비율들을 비교하는 것이 제안된다.
100%의 N2와 100%의 O2(도 29) 사이의 차이가 위상 신호에만 약간 영향을 주는 반면, 10%의 CO2 - 90%의 N2 혼합물과 100%의 N2 혼합물 사이의 진폭 신호들의 차이는 거의 100%의 N2와 100%의 O2(도 30) 사이의 차이만큼 크다. 조합 신호 sigX(도 31)는 이러한 거동을 약간 흐릿하게 만든다.
다음에서, 다시 말하면, 본 발명의 가스 센서의 특징들 및 기능들을 설명하는 추가적인 실시예들이 예시된다. 이들 실시예들은 위에서 설명된 실시예들과 조합될 수 있거나 또는 대안들을 표현할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 가스 센서는 멤브레인 센서이다. 천공된 멤브레인을 갖는 멤브레인 및 써모파일 기술에 기초한 열 가스 센서는 더 높은 가스-감응성 신호를 획득하기 위해 구조들의 현탁액들 또는 멤브레인을 통한 기생 열 전달을 최소화시키도록 구현될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 발명의 가스 센서는 전자 시스템을 포함할 수 있으며, 여기서 전자 시스템은 다음의 양상들 중 하나 또는 수 개를 개별적으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 전자 시스템은 소프트웨어를 통해 추적되는 동작 포인트를 갖는 DC 센서 증폭기를 포함할 수 있다. 더욱이, 전자 시스템은 마이크로 제어기(MSP430)의 내부 타이머 구조를 통해 위상 위치의 측정을 수행하도록 구현될 수 있으며, 여기서 예를 들어, 마이크로 제어기(MSP430)의 아날로그 스위치 및 내부 타이머 구조를 통한 가열기 여기 신호의 정밀한 생성이 본 명세서에서 사용된다. 부가적으로, 전자 시스템은 제로 포인트 크로싱에서 DC-오프셋 없이 센서 신호들을 측정하는 슈미트-트리거를 통해 센서 신호들의 위상 위치의 측정을 수행하도록 구현될 수 있는데, 그 이유는 신호들이 그곳에서 가장 가파르고, 따라서 위상 잡음이 최소화되기 때문이다. 선택적으로, 전자 시스템은 S1 진폭 제어기를 통한 가열 전력의 제어 및/또는 샘플링 타이밍의 제어를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 가스 센서는 교정을 가질 수 있다. 교정은 위상 및 진폭으로 이루어진 의사 신호를 형성하도록 구성될 수 있으며, 여기서 신호 형성 및 수학식에서의 강조가 의사 신호 상에 배치될 수 있다.
청구항들에 따른 실시예들이 본 명세서에 설명된 모든 특징들, 기능들, 및 세부사항들로 보완될 수 있다(이것이 어떠한 모순들도 유발하지 않는 경우)는 것을 유의해야 한다.
청구항들의 특징들, 기능들, 및 세부사항들은 또한 부가적인 실시예들을 획득하기 위해 본 명세서에 설명된 실시예들과 조합될 수 있다.
개별적인 실시예들 또는 실시예들 중 일부에 도시된 특징들 및 기능들이, 이에 대한 어떠한 중요한 기술적 이유들도 존재하지 않는다면 다른 실시예들에서 또한 이용될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
더욱이, 본 명세서에 설명된 실시예들의 부분적인 기능들이, 이에 대한 어떠한 중요한 기술적 이유들도 존재하지 않는다면 이용될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
일부 양상들이 디바이스의 맥락 내에서 설명되었더라도, 상기 양상들이 또한, 디바이스의 블록 또는 구조적인 컴포넌트가 대응하는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징으로서 또한 이해되도록 대응하는 방법의 설명을 표현한다는 것이 이해될 것이다. 그와의 유사성에 의해, 방법 단계의 맥락 내에서 또는 방법 단계로서 설명되었던 양상들은 또한, 대응하는 디바이스의 대응하는 블록 또는 세부사항 또는 특징의 설명을 표현한다. 방법 단계들 중 일부 또는 모두는, 마이크로프로세서, 프로그래밍가능 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 디바이스를 사용하는(또는 하드웨어 디바이스를 사용하는) 동안 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 가장 중요한 방법 단계들 중 일부 또는 수 개는 그러한 디바이스에 의해 수행될 수 있다.
특정한 구현 요건들에 의존하여, 본 발명의 실시예들은 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 구현은, 각각의 방법이 수행되도록 프로그래밍가능한 컴퓨터 시스템과 협력하거나 협력할 수 있는, 전자적으로 판독가능한 제어 신호들이 저장된 디지털 저장 매체, 예를 들어, 플로피 디스크, DVD, 블루-레이 디스크, CD, ROM, PROM, EPROM, EEPROM 또는 FLASH 메모리, 하드 디스크 또는 임의의 다른 자기 또는 광학 메모리를 사용하는 동안 달성될 수 있다. 이것은, 디지털 저장 매체는 컴퓨터 판독가능할 수 있기 때문이다.
따라서, 본 발명에 따른 일부 실시예들은, 본 명세서에 설명된 방법들 중 임의의 방법이 수행되도록 프로그래밍가능 컴퓨터 시스템과 협력할 수 있는, 전자적으로 판독가능한 제어 신호들을 포함하는 데이터 캐리어를 포함한다.
일반적으로, 본 발명의 실시예들은 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램 물건으로서 구현될 수 있으며, 프로그램 코드는, 컴퓨터 프로그램 제품이 컴퓨터 상에서 구동될 때 방법들 중 임의의 방법을 수행하기에 효과적이다.
예를 들어, 프로그램 코드는 또한, 머신-판독가능 캐리어 상에 저장될 수 있다.
다른 실시예들은, 본 명세서에 설명된 방법들 중 임의의 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 포함하며, 상기 컴퓨터 프로그램은 머신 판독가능 캐리어 상에 저장된다.
따라서, 다시 말하면, 본 발명의 방법의 실시예는, 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터 상에서 구동될 때, 본 명세서에 설명된 방법들 중 임의의 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램이다.
따라서, 본 발명의 방법들의 추가적인 실시예는, 본 명세서에 설명된 방법들 중 임의의 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 데이터 캐리어(또는 디지털 저장 매체, 또는 컴퓨터-판독가능 매체)이다. 데이터 캐리어, 디지털 저장 매체 또는 기록된 매체는 통상적으로, 유형이고 그리고/또는 비-일시적이다.
따라서, 본 발명의 방법의 추가적인 실시예는, 본 명세서에 설명된 방법들 중 임의의 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 표현하는 데이터 스트림 또는 신호들의 시퀀스이다. 데이터 스트림 또는 신호들의 시퀀스는, 예를 들어, 데이터 통신 링크를 통해, 예를 들어, 인터넷을 통해 송신되도록 구성될 수 있다.
추가적인 실시예는, 본 명세서에 설명된 방법들 중 임의의 방법을 수행하도록 구성 또는 적응되는 프로세싱 유닛, 예를 들어, 컴퓨터, 또는 프로그래밍가능 로직 디바이스를 포함한다.
추가적인 실시예는, 본 명세서에 설명된 방법들 중 임의의 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 설치된 컴퓨터를 포함한다.
본 발명에 따른 추가적인 실시예는, 본 명세서에 설명된 방법들 중 적어도 하나를 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 수신기에 송신하도록 구성된 디바이스 또는 시스템을 포함한다. 송신은, 예를 들어, 전자적이거나 광학적일 수 있다. 수신기는, 예를 들어, 컴퓨터, 모바일 디바이스, 메모리 디바이스 또는 유사한 디바이스일 수 있다. 디바이스 또는 시스템은, 예를 들어, 컴퓨터 프로그램을 수신기에 송신하기 위한 파일 서버를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 프로그래밍가능 로직 디바이스(예를 들어, 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이, 즉 FPGA)는, 본 명세서에 설명된 방법들의 기능들 중 몇몇 또는 모두를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이는, 본 명세서에 설명된 방법들 중 임의의 방법을 수행하기 위해 마이크로프로세서와 협력할 수 있다. 일반적으로, 일부 실시예들에서, 방법들은 임의의 하드웨어 디바이스에 의해 수행된다. 상기 하드웨어 디바이스는, 컴퓨터 프로세서(CPU)와 같은 임의의 보편적으로 적용가능한 하드웨어일 수 있거나, 또는 ASIC와 같이 방법에 특정한 하드웨어일 수 있다.
예를 들어, 본 명세서에 설명된 장치들은, 하드웨어 디바이스를 사용하여, 또는 컴퓨터를 사용하여, 또는 하드웨어 디바이스와 컴퓨터의 조합을 사용하여 구현될 수 있다.
본 명세서에 설명된 장치들, 또는 본 명세서에 설명된 장치들의 임의의 컴포넌트들은 하드웨어 및/또는 소프트웨어(컴퓨터 프로그램)로 적어도 부분적으로 구현될 수 있다.
예를 들어, 본 명세서에 설명된 방법들은, 하드웨어 디바이스를 사용하여, 또는 컴퓨터를 사용하여, 또는 하드웨어 디바이스와 컴퓨터의 조합을 사용하여 구현될 수 있다.
본 명세서에 설명된 방법들, 또는 본 명세서에 설명된 방법들의 임의의 컴포넌트들은 수행됨으로써 그리고/또는 소프트웨어(컴퓨터 프로그램)에 의해 적어도 부분적으로 구현될 수 있다.
위에서-설명된 실시예들은 단지 본 발명의 원리들의 예시를 표현할 뿐이다. 당업자들이 본 명세서에 설명된 어레인지먼트들 및 세부사항들의 수정들 및 변형들을 인식할 것이 이해된다. 이것은, 본 발명이 실시예들의 설명 및 논의에 의해 본 명세서에서 제시되었던 특정한 세부사항들보다는 다음의 청구항들의 범위에 의해서만 제한되도록 의도되기 때문이다.
1.5 참고 문헌
[Baehr 2008]
H. D. Baehr and K. Stephan, W
rme- und Stoff
bertragung, 6. neu bearbeitete Auflage ed Springer-Verlag, 2008.
[Simon 2002]
I. Simon and M. Arndt. Thermal and gas-sensing properties of a micromachined thermal conductivity sensor for the detection of hydrogen in automotive applications. Sensors and Actuators A: Physical, 97-98, pp. 104-108, April 2002. doi: 10.1016/S0924-4247(01)00825-1.
[Baar 2001]
J. J. van Baar, R. J. Wiegerink, T. S. J. Lammerink, G. J. M. Krijnen, and M. Elwenspoek. Micromachined structures for thermal measurements of fluid and flow parameters. Journal of Micromechanics and Microengineering, 11(4), pp. 311-318, July 2001. doi: 10.1088/0960-1317/11/4/304.
[IST AG 2011]
German patent: reference DE 10 2011 075 519 A1; title: Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Bestimmen des Massendurchflusses eines Mediums in einer Leitung; inventors: Hepp, Christoph; Krogmann, Florian; Lehmann, Mirko; Polak, Jiri; application date: May 9 2011
[IST AG 2013]
Applied for a German patent under reference DE 10 2013 102 2309.3; title: Thermischer Str
mungssensor zur Bestimmung eines Gases oder der Zusammensetzung eines Gasgemisches, sowie dessen Str
mungsgeschwindigkeit; inventors: Hepp, Christoph, Krogmann, Florian; application date: March 11 2013
[IST AG 2015]
Applied for a German patent under reference DE 10 2015 107 584.9, title: Verfahren zur Bestimmung eines Produktes aus W
rmekapazit
t und Dichte, inventors: Hepp, Christoph, Krogmann, Florian, Reyes, Diego; application date: May 13 2015
[Grien 2012]
H. Grienauer - AMS GmbH, Dielheim: Gasanalyse mit thermisch modulierten W
rmeleitf
higkeits-Sensoren mit Fourier-Analyse des Messsignals; 16. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2012; 22.-23.05.2012; N
rnberg, Germany; Chapter 1.2 Chemische Sensoren; pp 54-61; DOI: 10.5162/sensoren2012/1.2.2; ISBN: 978-3-9813484-0-8
[2003]
A. Al-Salaymeh, M. Alhusein, F. Durst, (2003) "Development of a twowire thermal flow sensor for industrial applications", Journal of Quality in Maintenance Engineering, Vol. 9 Issue: 2, pp.113-131, "https://doi.org/10.1108/13552510310482370"
[2009]
DE 10 2008 047 511 A1 2009.03.19; Vorrichtung und Verfahren zur Atemgasanalyse; Weinmann Ger
te f
r Medizin GmbH + Co. KG, Florian Dietz
[2011]
Kliche, Billat, Messner, Zengerle: Sensorsystem zur thermischen Gasanalyse von Gasgemischen, Konferenzbeitrag in Proc. of Mikrosystemtechnik Kongress 2011, Darmstadt, Deutschland, (Poster), 10. Oktober 2011, Seite 875-878, ISBN: 978-3-8007-3367-5 (2011)
[2011]
Sensor for gas analysis based on thermal conductivity, specific heat capacity and thermal diffusivity; K Kliche, S Billat, F Hedrich, C Ziegler, R Zengerle; Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2011 IEEE 24th International Conference on
[2013]
Sensor for thermal gas analysis based on micromachined silicon-microwires; K Kliche, G Kattinger, S Billat, L Shen, S Messner, R Zengerle, IEEE Sensors Journal 13 (7), 2626-2635; 2013
Claims (15)
- 적어도 하나의 가열기(120) 및 적어도 하나의 검출기(130, 140)를 갖는 열 가스 센서(100)에 대한 평가 배열(200)로서,
상기 평가 배열(200)은, 적어도 하나의 검출기(130, 140)로부터의 적어도 하나의 센서 신호를 미리 결정된 값 범위로 가져오기 위해 상기 적어도 하나의 센서 신호에 의존하여 상기 가열기(120)에 인가되는 가열 전력을 제어(250, 252)하도록 구성되며;
상기 평가 배열(200)은, 상기 적어도 하나의 센서 신호로부터 가스 농도에 관한 정보(240)를 도출할 때 상기 가열 전력에 관한 정보(122)를 고려하도록 구성되는, 평가 배열(200). - 제1항에 있어서,
상기 평가 배열(200)은, 주기적인 신호(260)를 상기 가열기(120)에 인가하도록 구성되는, 평가 배열(200). - 제1항에 있어서,
상기 평가 배열(200)은, 상기 가열기(120)에 인가된 가열 전력을 2개의 값들 사이에서 스위칭시키도록 구성되는, 평가 배열(200). - 제1항에 있어서,
상기 평가 배열(200)은, 상기 적어도 하나의 센서 신호의 최소값 및 상기 적어도 하나의 센서 신호의 최대값이 상기 미리 결정된 값 범위에 있도록 상기 가열 전력의 진폭을 제어(250, 252)하도록 구성되는, 평가 배열(200). - 제1항에 있어서,
상기 평가 배열(200)은, 상기 적어도 하나의 센서 신호의 진폭이 특정된 진폭 범위에 있도록 상기 가열 전력의 진폭을 세팅 또는 조정(250, 252)하도록 구성되는, 평가 배열(200). - 제1항에 있어서,
상기 평가 배열(200)은, 상기 센서 신호가 샘플링되는 샘플링 시간들을 세팅 또는 조정(270, 280, 290)하도록 구성되는, 평가 배열(200). - 제6항에 있어서,
상기 평가 배열(200)은, 상기 센서 신호가 최대값에 도달하는 시점에서 샘플링이 수행되도록. 그리고, 상기 센서 신호가 최소값에 도달하는 시점에서 상기 샘플링이 수행되도록 상기 샘플링 시간들을 세팅(270, 280, 290)하도록 구성되는, 평가 배열(200). - 제1항에 있어서,
상기 평가 배열(200)은, 아날로그-디지털 변환기에 대한 입력 신호를 획득하기 위해, 상기 적어도 하나의 검출기(130, 140)로부터의 센서 신호를 디지털-아날로그 변환기에 의해 생성된 오프셋 신호와 조합하도록 구성되며,
상기 평가 배열(200)은, 상기 아날로그-디지털 변환기의 입력 신호가 상기 센서 신호의 전체 기간 동안, 미리 결정된 값 범위 내에 유지되는 것을 달성하기 위해 상기 오프셋 신호를 조정하도록 구성되는, 평가 배열(200). - 제8항에 있어서,
상기 평가 배열(200)은, 상기 샘플링 시간들이 정상 상태에서 세팅 또는 조정(270, 280, 290)될 때 그리고 상기 오프셋 신호가 정상 상태에서 조정될 때에만 상기 가열 전력을 제어(250, 252)하도록 구성되는, 평가 배열(200). - 제8항에 있어서,
상기 평가 배열(200)은, 상기 샘플링 시간들이 세팅 또는 조정(270, 280, 290)되고 있는 동안 그리고/또는 상기 오프셋 신호가 조정되고 있는 동안 상기 가열 전력을 제어(250, 252)하는 것을 중지하도록 구성되는, 평가 배열(200). - 제1항에 있어서,
상기 평가 배열(200)은, 상기 가열 전력의 진폭 뿐만 아니라 상기 가열 전력의 평균 가열 전력 또는 최대 가열 전력을 조정(250, 252)하도록 구성되는, 평가 배열(200). - 적어도 하나의 가열기 및 적어도 하나의 검출기를 갖는 열 가스 센서에 대한 평가 배열을 동작시키기 위한 방법으로서,
상기 방법은, 센서 신호를 미리 결정된 값 범위로 가져오기 위해 상기 적어도 하나의 검출기로부터의 적어도 하나의 센서 신호에 의존하여 상기 가열기에 인가되는 가열 전력을 제어하는 단계를 포함하며;
상기 방법은, 상기 적어도 하나의 센서 신호로부터 가스 농도에 관한 정보를 도출할 때 상기 가열 전력에 관한 정보를 고려하는 단계를 포함하는, 평가 배열을 동작시키기 위한 방법. - 컴퓨터 프로그램으로서,
상기 프로그램이 컴퓨터 상에서 구동될 때 제12항에 따른 방법을 수행하는, 컴퓨터 프로그램. - 적어도 하나의 가열기(120) 및 적어도 하나의 검출기(130, 140)를 갖는 열 가스 센서(100)에 대한 평가 배열(200)로서,
상기 평가 배열(200)은, 적어도 하나의 검출기(130, 140)로부터의 적어도 하나의 센서 신호를 미리 결정된 값 범위로 가져오기 위해 상기 적어도 하나의 센서 신호에 의존하여 상기 가열기(120)에 인가되는 가열 전력을 제어(250, 252)하도록 구성되며;
상기 평가 배열(200)은, 상기 적어도 하나의 센서 신호로부터 가스 농도에 관한 정보(240)를 도출할 때 상기 가열 전력에 관한 정보(122)를 고려하도록 구성되고,
상기 평가 배열(200)은 상기 가스 농도에 관한 정보(240)를 도출하기 위해 상기 적어도 하나의 센서 신호와 상기 가열기(120)의 신호 사이의 위상 차이 및/또는 진폭 차이 및/또는 오프셋 차이를 이용하도록 구성되는,
평가 배열(200). - 적어도 하나의 가열기 및 적어도 하나의 검출기를 갖는 열 가스 센서에 대한 평가 배열을 동작시키기 위한 방법으로서,
상기 방법은, 센서 신호를 미리 결정된 값 범위로 가져오기 위해 상기 적어도 하나의 검출기로부터의 적어도 하나의 센서 신호에 의존하여 상기 가열기에 인가되는 가열 전력을 제어하는 단계를 포함하며;
상기 방법은, 상기 적어도 하나의 센서 신호로부터 가스 농도에 관한 정보를 도출할 때 상기 가열 전력에 관한 정보를 고려하는 단계를 포함하고,
상기 적어도 하나의 센서 신호와 상기 가열기의 신호 사이의 위상 차이 및/또는 진폭 차이 및/또는 오프셋 차이는 상기 가스 농도에 관한 정보를 도출하기 위해 사용되는,
평가 배열을 동작시키기 위한 방법.
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Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2019205103B2 (en) * | 2018-01-05 | 2021-11-04 | GS Elektromedizinische Geräte G. Stemple GmbH | Evaluation arrangement for a thermal gas sensor, method and computer program product |
| JP7452323B2 (ja) * | 2020-08-18 | 2024-03-19 | 株式会社デンソー | ガス濃度検出装置 |
| DE102022209905A1 (de) * | 2022-09-20 | 2024-03-21 | Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. | Sensoranordnung |
| DE102022209906A1 (de) | 2022-09-20 | 2024-03-21 | Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. | Sensoranordnung |
| DE102022127043B4 (de) | 2022-10-15 | 2024-05-23 | Sensirion Ag | Driftkompensation für einen Sensor zur Messung der Konzentration eines Stoffes in einem Fluid |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000028558A (ja) * | 1998-07-08 | 2000-01-28 | Shinku Riko Kk | 熱物性測定方法と装置 |
| US20070241093A1 (en) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Von Waldkirch Marc | Flow sensor with thermocouples |
| DE102008047511A1 (de) * | 2007-09-13 | 2009-03-19 | Weinmann Geräte für Medizin GmbH + Co. KG | Vorrichtung und Verfahren zur Atemgasanalyse |
| US20100184397A1 (en) * | 2008-03-29 | 2010-07-22 | Qualcomm Incorporated | Method and system for dc compenstation |
| US20100201551A1 (en) * | 2007-09-28 | 2010-08-12 | Nxp B.V. | Automatic common-mode rejection calibration |
| DE102011075519A1 (de) * | 2011-05-09 | 2012-11-15 | Innovative Sensor Technology Ist Ag | Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Bestimmen des Massedurchflusses eines Mediums in einer Leitung |
| DE102013102230A1 (de) * | 2012-03-08 | 2013-09-12 | Infineon Technologies Ag | Halbleiterpackages und Verfahren zu deren Ausbildung |
| DE102013102398A1 (de) * | 2013-03-11 | 2014-09-11 | Innovative Sensor Technology Ist Ag | Thermischer Strömungssensor zur Bestimmung eines Gases oder der Zusammensetzung eines Gasgemisches, sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit |
| US20160258986A1 (en) * | 2015-03-04 | 2016-09-08 | Siemens Industry, Inc. | Apparatus and methods for timestamping electrical data in a panel meter |
| US20160290849A1 (en) * | 2013-11-19 | 2016-10-06 | Endress+Hauser Flowtec Ag | Measuring device and method for determining a corrected mass flow and uses of the measuring device |
| DE102015107584A1 (de) * | 2015-05-13 | 2016-11-17 | Innovative Sensor Technology Ist Ag | Verfahren zur Bestimmung eines Produktes aus Wärmekapazität und Dichte |
| US20200232971A1 (en) * | 2017-08-14 | 2020-07-23 | Hahn-Schickard-Gesellschaft Fuer Angewandte Forschung E.V. | Gas Sensor for Determining the Expiratory CO2 Content of Respiratory Air |
Family Cites Families (39)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0493648A (ja) | 1990-08-03 | 1992-03-26 | Yamatake Honeywell Co Ltd | ガスクロマトグラフ |
| DE4338200A1 (de) * | 1993-11-09 | 1995-05-11 | Efu Ges Fuer Ur Umformtechnik | Verfahren zur Messung der Temperatur von metallischen Werkstücken oder ihres Feststoffanteils im teilerstarrten Zustand |
| JP3370801B2 (ja) | 1994-11-02 | 2003-01-27 | リコーエレメックス株式会社 | 温度補償付き雰囲気検出装置 |
| US10130787B2 (en) | 1997-06-17 | 2018-11-20 | Fisher & Paykel Healthcare Limited | Humidity controller |
| US6169965B1 (en) | 1997-12-31 | 2001-01-02 | Honeywell International Inc. | Fluid property and flow sensing via a common frequency generator and FFT |
| US6019505A (en) | 1997-12-31 | 2000-02-01 | Honeywell Inc. | Time lag approach for measuring thermal conductivity and specific heat |
| US6079253A (en) | 1997-12-31 | 2000-06-27 | Honeywell Inc. | Method and apparatus for measuring selected properties of a fluid of interest using a single heater element |
| AU1402700A (en) | 1998-12-22 | 2000-07-12 | Sensirion Ag | Method and sensor for measuring a mass flow |
| DE19949327A1 (de) * | 1999-10-13 | 2001-04-19 | Grunewald Axel Ulrich | Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch |
| JP3843880B2 (ja) | 2001-05-31 | 2006-11-08 | 株式会社デンソー | ガス濃度センサのヒータ制御装置 |
| GR1004040B (el) | 2001-07-31 | 2002-10-31 | Μεθοδος για την κατασκευη αιωρουμενων μεμβρανων πορωδους πυριτιου και εφαρμογης της σε αισθητηρες αεριων | |
| US20080044939A1 (en) * | 2002-01-24 | 2008-02-21 | Nassiopoulou Androula G | Low power silicon thermal sensors and microfluidic devices based on the use of porous sealed air cavity technology or microchannel technology |
| JP4500904B2 (ja) * | 2005-01-31 | 2010-07-14 | 一平 鳥越 | 熱伝達特性測定方法および装置 |
| JP4662339B2 (ja) | 2005-02-04 | 2011-03-30 | エプソンイメージングデバイス株式会社 | 液晶表示パネル |
| DE102006054505A1 (de) | 2006-11-20 | 2008-05-29 | Escube Gmbh & Co. Kg | Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Stoffes in einem Gas |
| US7780343B2 (en) | 2007-07-09 | 2010-08-24 | Siargo Ltd. | Micromachined gas and liquid concentration sensor and method of making the same |
| JP4983726B2 (ja) | 2008-05-29 | 2012-07-25 | トヨタ自動車株式会社 | ガス濃度センサの暖機制御装置 |
| JP5745205B2 (ja) | 2008-08-22 | 2015-07-08 | 木村 光照 | 加熱励振を利用した熱伝導型気圧センサ |
| EP2175246B1 (en) * | 2008-10-09 | 2017-07-19 | Sensirion AG | A method for measuring a fluid composition parameter by means of a flow sensor |
| FR2949155B1 (fr) * | 2009-08-14 | 2012-04-06 | Neosens | Procede de mesure ou de detection de l'encrassement d'un reacteur |
| JP5055349B2 (ja) | 2009-12-28 | 2012-10-24 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 熱式ガスセンサ |
| EP2348292A1 (en) * | 2010-01-13 | 2011-07-27 | Sensirion AG | Sensor device |
| DE102011081922B4 (de) * | 2011-08-31 | 2021-12-23 | Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. | Strömumgssensor zur Bestimmung eines Strömungsparameters |
| WO2013112287A1 (en) | 2012-01-09 | 2013-08-01 | David Martin | Networked air quality monitoring |
| JP5779131B2 (ja) | 2012-03-27 | 2015-09-16 | アズビル株式会社 | 発熱量測定システム及び発熱量の測定方法 |
| DE102012102979A1 (de) * | 2012-04-05 | 2013-10-24 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Durchflussmessgerät, Messrohr sowie Verfahren zur Herstellung eines Durchflussmessgeräts |
| JP5782406B2 (ja) | 2012-06-14 | 2015-09-24 | 日本特殊陶業株式会社 | ガスセンサシステム |
| DE102014000939A1 (de) | 2013-06-20 | 2014-12-24 | Hydrometer Gmbh | Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Gasparameters eines strömenden Gases |
| EP2840385A1 (en) * | 2013-08-23 | 2015-02-25 | DCG Systems, Inc. | Lock-in thermography method and system for determining material layer parameters of a sample |
| JP2015064305A (ja) | 2013-09-25 | 2015-04-09 | 木村 光照 | 熱型センサとこれを用いた熱計測モジュール |
| DE102014106729A1 (de) * | 2014-05-13 | 2015-11-19 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Verfahren zum Betreiben eines Messgerätes und Messgerät |
| EP2887057A1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-06-24 | Sensirion AG | Device and method of humidity compensated gas concentration monitoring by thermal conductivity measurements |
| US9453807B2 (en) | 2014-04-08 | 2016-09-27 | Ams International Ag | Thermal conductivity gas sensor with amplification material |
| JP6470985B2 (ja) | 2015-01-27 | 2019-02-13 | 日本特殊陶業株式会社 | マイクロヒータ及びセンサ |
| JP6459788B2 (ja) | 2015-06-12 | 2019-01-30 | 株式会社デンソー | センサの印加電圧制御装置 |
| GB2545426B (en) | 2015-12-14 | 2021-08-04 | Sciosense Bv | Sensing Layer Formation |
| EP3502687B1 (en) * | 2017-12-20 | 2022-06-29 | Sensirion AG | Determination of gas parameters |
| AU2019205103B2 (en) | 2018-01-05 | 2021-11-04 | GS Elektromedizinische Geräte G. Stemple GmbH | Evaluation arrangement for a thermal gas sensor, method and computer program product |
| JP7130290B2 (ja) | 2020-10-27 | 2022-09-05 | 株式会社I’mbesideyou | 情報抽出装置 |
-
2019
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Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000028558A (ja) * | 1998-07-08 | 2000-01-28 | Shinku Riko Kk | 熱物性測定方法と装置 |
| US20070241093A1 (en) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Von Waldkirch Marc | Flow sensor with thermocouples |
| DE102008047511A1 (de) * | 2007-09-13 | 2009-03-19 | Weinmann Geräte für Medizin GmbH + Co. KG | Vorrichtung und Verfahren zur Atemgasanalyse |
| US20100201551A1 (en) * | 2007-09-28 | 2010-08-12 | Nxp B.V. | Automatic common-mode rejection calibration |
| US20100184397A1 (en) * | 2008-03-29 | 2010-07-22 | Qualcomm Incorporated | Method and system for dc compenstation |
| DE102011075519A1 (de) * | 2011-05-09 | 2012-11-15 | Innovative Sensor Technology Ist Ag | Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Bestimmen des Massedurchflusses eines Mediums in einer Leitung |
| DE102013102230A1 (de) * | 2012-03-08 | 2013-09-12 | Infineon Technologies Ag | Halbleiterpackages und Verfahren zu deren Ausbildung |
| US20130234330A1 (en) * | 2012-03-08 | 2013-09-12 | Infineon Technologies Ag | Semiconductor Packages and Methods of Formation Thereof |
| DE102013102398A1 (de) * | 2013-03-11 | 2014-09-11 | Innovative Sensor Technology Ist Ag | Thermischer Strömungssensor zur Bestimmung eines Gases oder der Zusammensetzung eines Gasgemisches, sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit |
| US20160290849A1 (en) * | 2013-11-19 | 2016-10-06 | Endress+Hauser Flowtec Ag | Measuring device and method for determining a corrected mass flow and uses of the measuring device |
| US20160258986A1 (en) * | 2015-03-04 | 2016-09-08 | Siemens Industry, Inc. | Apparatus and methods for timestamping electrical data in a panel meter |
| DE102015107584A1 (de) * | 2015-05-13 | 2016-11-17 | Innovative Sensor Technology Ist Ag | Verfahren zur Bestimmung eines Produktes aus Wärmekapazität und Dichte |
| US20200232971A1 (en) * | 2017-08-14 | 2020-07-23 | Hahn-Schickard-Gesellschaft Fuer Angewandte Forschung E.V. | Gas Sensor for Determining the Expiratory CO2 Content of Respiratory Air |
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