(57)【要約】グロー放電ギャップを有するマイクロ・プラズマ・センサ・システム。検知される流体が、ギャップでの放電の近傍に持ってこられる。放電からの放出光は、流体の特性を判定するために光スペクトル分析器に結合される。この結合のために、窓と、放電ギャップに近接した粒状物質検出電極とを含む。窓の清浄状態及び電極の電気的分離は、この放電により維持される。光分析器は、光検出器に向かう２又はそれより多くの光チャネルに対する個々のバンドパス・フィルタ、又は光検出器のアレイに向けての波長に応じた様々な角度で放出光を分散させる格子又はプリズムを有する。光検出器は、処理される電気信号を出力する。
2007517224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ・システムであって、
第１の電極と、
前記第１の電極に近接して配され、前記第１の電極との間にギャップを形成する第２の電極と、
前記ギャップに近接した第１の端部を有する光導波路と、
前記光導波路の第２の端部に近接したフィルタと
を備えるセンサ・システム。
【請求項２】
請求項１記載のセンサ・システムであって、
前記第１の電極及び前記第２の電極を囲む光学的筐体
を更に備え、
前記光導波路の前記第１の端部が、前記光学的筐体に近接している、
センサ・システム。
【請求項３】
請求項２記載のセンサ・システムであって、前記ギャップが電気的放電ギャップである、センサ・システム。
【請求項４】
請求項３記載のセンサ・システムであって、
すすの発生に対して感受性のあるすす検知電極を更に備え、前記すす検知電極が前記電気的放電ギャップにより清浄に保たれる、センサ・システム。
【請求項５】
請求項３記載のセンサ・システムであって、前記電気的放電ギャップが前記光学的筐体に近接している、センサ・システム。
【請求項６】
請求項５記載のセンサ・システムであって、前記電気的放電ギャップが、光を発生し、かつ、前記光導波路の前記第１の端部に近接した前記光学的筐体の光学的表面を清浄に保つことが可能である、センサ・システム。
【請求項７】
請求項６記載のセンサ・システムであって、前記フィルタが、少なくとも１つの波長に対するバンドパス・フィルタである、センサ・システム。
【請求項８】
請求項７記載のセンサ・システムであって、前記フィルタに接続された光強度インジケータを更に備えるセンサ・システム。
【請求項９】
請求項８記載のセンサ・システムであって、前記第１の電極及び前記第２の電極を囲む筐体を更に備えるセンサ・システム。
【請求項１０】
請求項９記載のセンサ・システムであって、前記ギャップが、該ギャップ内及びその周りでマイクロ・グロー放電を提供する、センサ・システム。
【請求項１１】
請求項１０記載のセンサ・システムであって、前記フィルタが少なくとも１つの干渉フィルタを備える、センサ・システム。
【請求項１２】
請求項１０記載のセンサ・システムであって、前記フィルタがファブリ−ペロー干渉フィルタである、センサ・システム。
【請求項１３】
請求項１０記載のセンサ・システムであって、前記光学的筐体の入口に接続された粒状物質フィルタを備えるセンサ・システム。
【請求項１４】
請求項１３記載のセンサ・システムであって、前記粒状物質フィルタが燃焼排気システムに接続される、センサ・システム。
【請求項１５】
請求項１３記載のセンサ・システムであって、点火プラグ様のパッケージを更に備え、前記パッケージが、前記粒状物質フィルタ、前記第１の電極及び前記第２の電極、及び前記光導波路の前記第１の端部を囲い込む、センサ・システム。
【請求項１６】
請求項１５記載のセンサ・システムであって、前記点火プラグ様のパッケージが排気システムに接続される、センサ・システム。
【請求項１７】
センサ・システムであって、
第１の電極と、
前記第１の電極に近接して配され、前記第１の電極との間にギャップを形成する第２の電極と、
前記ギャップに光学的に接続された第１の端部と、第２の端部とを有する光導波路と、
前記光導波路の前記第２の端部に光学的に接続された分光器と
を備えるセンサ・システム。
【請求項１８】
請求項１７記載のセンサ・システムであって、前記ギャップが電気的放電ギャップである、センサ・システム。
【請求項１９】
請求項１８記載のセンサ・システムであって、
前記ギャップがマイクロ放電ギャップである、センサ・システム。
【請求項２０】
請求項１９記載のセンサ・システムであって、前記ギャップがマイクロ・グロー放電ギャップである、センサ・システム。
【請求項２１】
請求項１８記載のセンサ・システムであって、前記分光器が、前記光導波路の前記第２の端部に光学的に結合された光学的回折格子を備える、センサ・システム。
【請求項２２】
請求項２１記載のセンサ・システムであって、前記分光器が更に、前記光学的回折格子に光学的に結合された光検出器を備える、センサ・システム。
【請求項２３】
請求項２２記載のセンサ・システムであって、前記ギャップに近接した出口を有する粒状物質フィルタを更に備えるセンサ・システム。
【請求項２４】
請求項２３記載のセンサ・システムであって、前記粒状物質フィルタが、排気システムに接続された入口を有する、センサ・システム。
【請求項２５】
検知装置であって、
電気的放電を与える手段と、
流体を、前記電気的放電を与える手段の近傍に結合する手段と、
前記電気的放電を与える手段に光学的に結合された、光を分析する手段と
を備える検知装置。
【請求項２６】
請求項２５記載の検知装置であって、前記電気的放電がマイクロ・グロー放電である、検知装置。
【請求項２７】
請求項２６記載の検知装置であって、前記光を分析する手段が分光器を備える、検知装置。
【請求項２８】
請求項２６記載の検知装置であって、前記光を分析する手段がファブリ−ペロー・フィルタを備える、検知装置。
【請求項２９】
請求項２６記載の検知装置であって、前記光を分析する手段が、
少なくとも１つのフィルタと、
前記少なくとも１つのフィルタに結合された少なくとも１つの光検出器と、
前記少なくとも１つの光検出器に接続されたプロセッサと
を備える、検知装置。
【請求項３０】
流体を検出する方法であって、
電気的放電を与えるステップと、
流体を前記電気的放電のところへ送るステップと、
前記電気的放電からの光を分析するステップと
を備える方法。
【請求項３１】
請求項３０記載の方法であって、前記電気的放電がマイクロ放電である、方法。
【請求項３２】
請求項３１記載の方法であって、前記光を分析する前記ステップが、様々な波長の強度を検出するステップを含む、方法。
【請求項３３】
請求項３２記載の方法であって、前記電気的放電がグロー放電である、方法。
【請求項３４】
請求項３２記載の方法であって、前記様々な波長の強度を検出する前記ステップが、能動ファブリ−ペロー・フィルタを介した周波数変調を含む、方法。
【請求項３５】
請求項３２記載の方法であって、前記様々な波長の強度を検出する前記ステップが、部分的に、分光器を用いて実施される、方法。
【請求項３６】
請求項３２記載の方法であって、前記流体が実際に希ガスを含まない、方法。
【請求項３７】
請求項３６記載の方法であって、前記流体が、室内の空気、外気、産業処理の流体、燃焼排気、及び前記電気的放電から、該電気的放電からの光を分析するための光検出装置への光を不明瞭にし得る粒状物質を有する流体を含むグループから成る、方法。
【請求項３８】
請求項３７記載の方法であって、前記流体の化学的成分に関して分析するステップを更に備える方法。
【請求項３９】
請求項３８記載の方法であって、光を放出し且つ前記光検出装置へ光を透過させるため必要とされる光学的表面を清浄に保つように前記電気的放電を配するステップを更に備える方法。
【請求項４０】
請求項１記載のセンサ・システムであって、前記フィルタが、前記ギャップと、２又はそれより多くの光ファイバである光導波路の一端又は両端上の光検出器との間に位置した光学的フィルタである、センサ・システム。
【請求項４１】
請求項４記載のセンサ・システムであって、すすの堆積に対して感受性のある前記すす検知電極が、前記ギャップの放電プラズマにより又は第２のギャップにより清浄に保たれ、前記放電プラズマは前記フィルタの上流に位置し、そうでない場合、スペクトル分析のための前記放電プラズマは前記フィルタの下流に位置する、センサ・システム。
【請求項４２】
請求項１７記載のセンサ・システムであって、前記分光器が、前記光導波路の前記第２の端部に光学的に接続された分光器と複数の光学的フィルタとを有するスペクトル分析装置である、センサ・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年１月１５日に出願され、発明の名称が「フェーズドＩＩＩセンサ（ＰＨＡＳＥＤ−ＩＩＩ  ＳＥＮＳＯＲ）」である同時係属中の米国仮特許出願Ｎｏ．６０／４４０，１０８についての優先権を米国特許法３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）（１）の下で主張するものであり、この文献を本明細書に援用する。本出願はまた、２００３年９月４日に出願され、発明の名称が「フェーズドＶ、ＶＩセンサ・システム（ＰＨＡＳＥＤ  Ｖ，  ＶＩ  ＳＥＮＳＯＲ  ＳＹＳＴＥＭ）」である同時係属中の米国仮特許出願Ｎｏ．６０／５００，８２１についての優先権を米国特許法３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）（１）の下で主張するものであり、この文献を本明細書に援用する。本出願は、２００３年９月２６日に出願され、発明の名称が「フェーズド・マイクロ分析器Ｖ、ＶＩ（ＰＨＡＳＥＤ  ＭＩＣＲＯ  ＡＮＡＬＹＺＥＲ  Ｖ，  ＶＩ）」である同時係属中の仮出願ではない米国特許出願Ｎｏ．１０／６７２，４８３についての一部継続として優先権を主張するものであり、その米国特許出願Ｎｏ．１０／６７２，４８３は、２００２年９月２７日に出願された米国仮特許出願Ｎｏ．６０／４１４，２１１の利益を主張するものであり、同時係属中の米国特許出願Ｎｏ．１０／６７２，４８３を本明細書に援用する。本発明は、２００３年９月２６日に出願され、発明の名称が「フェーズド・マイクロ分析器ＩＩＩ、ＩＩＩＡ（ＰＨＡＳＥＤ  ＭＩＣＲＯ  ＡＮＡＬＹＺＥＲ  ＩＩＩ，  ＩＩＩＡ）」である同時係属中の仮出願ではない米国特許出願Ｎｏ．１０／６７１，９３０についての一部継続として優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は流体の検出に関する。特に、本発明は、プラズマ構造に関し、より詳細には、流体の成分の識別及び定量化のためのセンサとして上記構造を適用することに関する。用語「流体」は、気体及び液体を種として含む総称的な用語として用いられる。例えば、空気、ガス、水及び油は、流体である。
【背景技術】
【０００３】
流体分析器に関連した構造及びプロセスの態様が、２００２年５月２８日にＵｌｒｉｃｈ  Ｂｏｎｎｅその他に対して発行され、発明の名称が「感度を増大するフェーズド・ヒータを有するガス・センサ（Ｇａｓ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｐｈａｓｅｄ  Ｈｅａｔｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）」である米国特許Ｎｏ．６，３９３，８９４に開示されており、この文献を本明細書に援用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在入手可能な流体成分分析器は、選択性があり感度が高いが、未知の成分を有するサンプル・ガス混合物の１又はそれより多くの成分を識別する能力に欠けており、また、一般的に寸法が大きくてコストが高い。最新の技術の組み合わせ分析器ＧＣ−ＧＣ及びＧＣ−ＭＳ（ガス・クロマトグラフ−質量分析器）は、望ましい選択性、感度及び明晰さを組み合わせたものに近づいているが、まだ寸法が大きく、コストが高く、遅く、そしてバッテリ給電される応用には不適当である。ＧＣ−ＡＥＤ（ガス・クロマトグラフ−原子放出検出器（ｇａｓ  ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈ−ａｔｏｍｉｃ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）では、ＡＥＤ単独で１００ワットより多い電力を用い、水冷を用い、１０ＭＨｚより高いマイクロ波放電を有し、そしてコストが高い。
【０００５】
マイクロ・ガス・クロマトグラフィ（μＧＣ）検出器は、応答が速くて（＜１ミリ秒）感度が高いものとされているが、特定の化合物に対しての選択性がなく、簡素な構成で、低コストで無く、コンパクトで無く、低パワー（〜ｍＷ）でも無い。現在入手可能な又は考えられるμＧＣ検出器は、例えば、熱伝導度センサのような非常に高い感度（分析物の１０から１００ｐｐｍ以上）では無いか、又は、例えば、蛍光検出器や電子捕獲型検出器のように特定の化合物に対して選択が限定され過ぎているか、又は、例えば、約６００ドル、３０００ドル及びそれより上といった多くのＧＣ検出器の２００３年の典型的な価格のように低コストで無いか、又は、スペクトル分析を介してマイクロ放電装置（ＭＤＤ）を監視するときに、汚れた光学系に起因してドリフトを生じがちであるか、又は、例えば、消費電力が１００Ｗを越えるＡＥＤ（原子放出検出器）のように比較的高いパワーであるかのいずれかである。
【０００６】
関連技術のＮＯＸ（そして広くは、ＣＯ、ＮＨ３、ＳＯＸ、ＶＯＣ）センサであって、燃焼プロセス（内部及び外部）からのそのような物質の放出を監視及び／又は制御するためのセンサは、管理されないオンボードの燃焼システムには適していない。それらは、コストが高過ぎるか（化学ルミネッセンス（ＣＬ）そして更に多層化されたＺｒＯ２センサ）、または寸法が大きすぎるか（検出限界が５ｐｐｍ近くの場合はＣＬ及びＩＲ吸収）、または脆弱過ぎるか（ＣＬ及びＩＲの長経路セル）、または十分に安定していないか（例えば、ＳｎＯ２／ＷＯ３及び湿式電気化学センサ）のいずれかである。これらの光センサの別の問題は、その光学系を清浄に保つために必要とされる高い維持コストである。
【０００７】
グロー放電放出のスペクトル分析に基づく関連技術の光学的ガス・センサ（ＮＯ、ＣＯ、ＮＨ３、ＳＯ２、ＣＨ４、・・・、ＣＷＡ）は、コンパクトであることと低コストであることと広い波長範囲であることとをパッケージにするシステムには適していない。なぜなら、それらが、堅牢で低コストでコンパクトなマルチチャネル分析器を欠いているからである。それらは、コストが高すぎ且つ寸法が大きすぎるか（例えば、ＦＴＩＲ又は通常の分散分光器、又は更に新しいコンパクトな手のひらサイズの分光器）、又は脆弱過ぎるか（分光器）、又は十分に透過性がないか（狭いバンドパス・フィルタは、帯域を広げることを避けるために、光に対しての非常に良好なコリメーションを必要とする、即ち、小さい開口動作を必要とし、その結果として光透過度が低くなる）、又は十分な汎用性がないか（個々の狭いバンドパス・フィルタを有する小数のチャネル）のいずれかである。また、これらの光センサの問題は、例えば、それらの光学系を清浄に保つことなどに必要な、高い維持コストである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
光スペクトル／分子放出ベースのＮＯセンサ・システムなどのセンサ・システムは、低パワーで低質量でコンパクト（放射グロー放電プラズマが直径でわずか１０−１００マイクロメートル）であり、１１００℃でそのプラズマを有することができ、低コストで堅牢であり（精密な光学的位置合わせを必要としない）、そして安定性を有する。適切な空気フィルタリングを用いて、動作は、希ガス・パージをすること無しで、且つ、高温プラズマ自己清浄化、信号処理及び有利なパッケージングを用いて生じる。
【０００９】
ＭＤＤ放出のスペクトル分析は、走査型狭帯域通過ＭＥＭＳファブリ−ペロー（ＦＰ）フィルタに依拠している。即ち、それは、コンパクトであり、汎用性があり（多くのチャネルを有する）、非常に有効な光強度であり（多くのＭＤＤ（１００−１０００個）が並列に動作される場合の高いミラー−エタロン反射率にも拘わらず）、そして、大した維持管理をしなくてもよい。なぜなら、ＦＰフィルタは密閉された環境で動作し、サンプル・ガスに暴露される唯一の他の光学的表面はＭＤＤにより自己清浄化されるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
マイクロ放電装置１１（ＭＤＤ）が、図１のシステム１０、図４のシステム２０、及び図６のシステム３０のそれぞれに示されている。装置１１は、１つの電極３１及び別の電極３２を有し、それらの端部は互いに向き合っていて、マイクロ・グロー放電１８を提供するギャップを形成する。このギャップは、ガラス管又は中空管３３に包囲される。装置１１は、堆積するすすを清浄した状態に保つすす電極を有し得る。装置１１は、図７のグラフに示されるようなＵＶ／可視スペクトルを有する。そのグラフは、７００トルの環境でＮ２中の２２．９ｐｐｍのＮＯを用いたグロー放電のスペクトル放出に関する「相対強度」対「波長（単位ｎｍ）」を示す。今日まで、主として希ガス（Ｎ２，Ａｒ，Ｈｅ）を用いて、そのようなマイクロ放電の特性を研究してきた。
【００１１】
グロー放電装置１１は、図１に示されるシステム１０の一部であり得る。それは、図１において外枠で囲んだ構成要素から成る。システム１０は、開口１５で排気管１４に接続されたサンプル・ガス・フィルタ１３を有する。フィルタ１３は、排気１７からの排気サンプル１６からＰＭ（粒状物質）及び縮合物を除去する。次いで、サンプル１６は、ガラス管３３の中に位置するグロー放電１８の近傍に流れ込み、サンプル１６の組成に従っての放電の放出に影響を与える。放電１８からの光２７は、ファイバ２１及びフィルタ２２を通って伝搬し、検出器２３により電気信号に変換される。その電気信号は、増幅器及びマイクロプロセッサ２４へ進み、処理されて、排気サンプル１６の組成を示す出力信号を生じる。
【００１２】
グロー放電１８は、直径が約１０ないし５００マイクロメートルであり得る。その放電は、約１ないし１５メガオーム（ＭΩ）の抵抗１９を直列接続した約１００ないし４００ボルトのＡＣ／ＤＣ電源を用いて開始されて維持され、前述したような組成に関する図７に示されるスペクトル帯域放出を発生する。電源２８は、抵抗１９を介して金属電極３１に接続され、更に金属電極３２に接続される。グロー放電１８は、電源２８からの電圧の存在に起因して電極３１と３２との間で開始されて維持される。電極３１及び３２は、例えば、ＭｇＯのような絶縁材料を用いて被覆される。他の材料を用いることもできる。
【００１３】
光ファイバ２１は、グロー放電装置１１に、光学的インターフェース又は窓２５で光学的に接続され、そして、２４７．２又は２５８±１．４ｎｍのＮＯ用、及び３３６．９又は３５７．５±２ｎｍの基準Ｎ２用のフィルタ２２と、他の、必要に応じての、Ｏ２、ＣＨ、Ｃ２、ＣＯ、ＳＯ２用などのバンドパス・フィルタ、及び２５１．２±２．５ｎｍ及びのオフＮＯ（off-NO）用及びオフＮ２用のバンドパス・フィルタと共に用いられ得る。光学フィルタ２２は、光ファイバ２１の平坦にされた端部に置かれ、それは、約３ｎｍから２０ｎｍまでの狭帯域通過半値幅（narrow band pass half-width）を有するであろう（〜２．８ｎｍＮＯ放出半値幅（ＨＢＷ）に一致させるため）。また図１には、光検出器２３（ＵＶに反応するようにされたＳｉダイオード、Ｓｉフォトトランジスタ）が、光学フィルタ２２の近くに示されている。光検出器２３の出力は、増幅器及び信号プロセッサ２４へ進み、増幅器及び信号プロセッサ２４は、サンプル１６中のＮＯ、ＶＯＣ、ＣＯ、ＳＯＸ等について参照される信号を、ｐｐｍ指示（インジケーション）信号と共に、増幅器及び信号プロセッサ２４の出力３５で出力する。
【００１４】
動作については、装置１１は、図１に示されるように、マイクロ放電１８が、観察ファイバ２１の側部近くで光を放ってその側部に当たるように向けるよう、設計される。穏やかな放電１８のスパッタ動作は、燃焼排気ガスは接触する光学面を短時間に黒ずませるという既知の傾向にも拘わらず、図１における窓２５の光透過を高レベルに維持することを意図したものである。しかしながら、放電１８のプラズマによる窓２５に対する清浄作用がある。また、電極は清浄に保たれる。
【００１５】
システム１０の重要な構成要素は、一端にフィルタ２２が被着され、他端がグロー放電１８に対面している光ファイバ−ケーブル２１と、１又は複数のＰＭフィルタ１３とである。材料は、低コストで、耐熱性で（サンプル・ガス温度を冷却し得る中間のＰＭフィルタ１３があるので高い必要性は無い）、そしてバンドパス・フィルタ２２の角感度を最小にするため高い屈折率（ｉｎｄｅｘ）である材料を含む。これは、ファイバ軸に平行なものからの入射ビームの偏差角φに対するピーク透過波長λ０の関係によって表される幾つかの例示的フィルタにより与えられ得る。
【００１６】
λφ＝λ０（ｎｅ２−ｓｉｎ２φ）０．５／ｎｅ
【００１７】
λφに対するこの屈折率ｎの影響が、λ０＝２５０ｎｍ及びφ＝１０°及び２０°について、図８の表のデータにより示されている。リストされた材料の最高屈折率、即ち、２５０ｎｍでｎ＝１．８４５のサファイアは、φ＝２０°に対して依然として約５ｎｍのシフトを生じるが、φ＝１０°に対しては〜１．５ｎｍシフトするだけであり（φ≦１０°であるように光ファイバ２１を窓２５から或る距離に位置させることについては図２を参照）、それは１つのアプローチである。別の例は、２３ｎｍの半値幅及びλ０＝２４７．２±１２ｎｍの、ＮＯの全帯域をカバーする広いバンドパス・フィルタを用いることに基づく。なお、このアプローチの欠点は、ＮＯ感度において約５倍の損失であり、また、同じ帯域でのスペクトル放出を有する他のガスに対して感度が重なる可能性が高くなることである。このアプローチが選択される場合、製造し易さ、フィルタのコスト、及び角度及び温度変動に起因したそのシフト量について、重要性は低くなる。
【００１８】
温度の影響についての懸念は、λ０が、ここで示されるように、コーティング材料の熱膨張に起因して、温度が増大すると共に波長が長くなる方へシフトする傾向（そしてその逆の傾向）があることに、基づいている。
【００１９】
λＴ＝λ０＋αΔＴであり、αは約０．０１−０．２ｎｍ／℃である。
【００２０】
これは、上記の情報が正しい場合、単に温度の１００℃の上昇及びα＝０．１ｎｍ／℃に関して、λ０を１０ｎｍシフトさせ得る。α’が約１０−６−１０−５／℃又はαが約２×１０−４−２×１０−３ｎｍ／℃である値も予期されるであろう。
【００２１】
製造コストは、本明細書の序文で記したように、安価な部品及び組立体によって低くなる。それらの部品は、図３に示されるようなスパーク−プラグ様の環境パッケージ４４においてプラズマを支持するための管３３（ガラス、クォーツ、サファイア）の中にある１つの接地されたワイヤ及び１つの絶縁されたワイヤと、被着された干渉フィルタ２２を有する光ファイバ２１と、２個から４個のＳｉフォトダイオード２３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１００−４００Ｖ）を有する電源２８と、Ｓｉフォトダイオード２３のための増幅器２４と、信号処理及び論理機能のためのマイクロプロセッサ２４と、ＰＭフィルタ１３と、サンプル・ガス流チャネルとを含む。また、自動化された組立及び較正が実施されてコストが低減される。このマイクロ−プラズマ・センサ・システム１０の製造においては、スクラップが非常に小さいものとなることが予想される。
【００２２】
ＭＤＤを介したＮＯＸ検知は、既知であり、Ｃａｖｉｔｏｎ  Ｉｎｃ．（キャビトン社）により、また、おそらくは他社により、以前に行われており、その検知では、ＭＤＤへと導く１つのマイクロチャネルの希ガスのパージが行われていたが、しかし、そのようなパージなしで、サンプル・ガスのみをＭＤＤへ送ることは行われていない。図１における検知システムの特徴は、ＭＤＤを希ガス・パージ無しで動作させることと、ＭＤＤを、窓の清浄化のため及びＭＤＤ検出器応用における電極の隔離を維持するために用いることと、ＩＲのスペクトル放出を観測しないことと、共平面のＭＤＤをソースとし、別のＭＤＤを検出器として設計することと、１つのパッケージ中にスペクトル放出物と、例えば、１つのすすセンサとを一緒に配置することとを含む。
【００２３】
ＭＤＤ側にあり、且つ光ファイバ、即ち、図１、２、４及び６の窓２５に向いている光学的表面３３の、自己清浄作用がある。希ガス・パージ清浄は、必要とされない。センサ・システム１０の本発明は、希ガス・パージ無しでの、排気ガス組成測定のためのプラズマ放電装置１１の使用と、凝縮性のタールや炭素質のすすなどのような燃焼生成物の堆積をプラズマ・エッチングで除去することにより観測窓を清浄に保つためのプラズマ放電１８の使用と、接地されていないマイクロ放電電極の必要な電気的分離を維持するための同じプラズマ放電１８の使用（図２の一例の電極先端部の拡大図を参照）と、追加の周期的パワー清浄化サイクル（測定及び自己チェック・サイクルの一時停止を生じる場合も生じない場合もある）による、接地されていない電極の必要な電気的分離を維持するためのプラズマ放電の使用と、バンドパス・フィルタにおいて温度により引き起こされる波長シフトを最小にするために、すす検知後であり且つスペクトルＭＤＤ検知前に、サンプル・ガスを冷却及び清浄化するための関連のＰＭフィルタ１３の使用と、選択されたバンドパス・フィルタ幅により要求される小さい角度の光ファイバ光成分のみを検出するための、光ファイバ端部とフォトダイオードとの間の高性能な位置決めの使用と、清浄状態及びすすセンサ電極（図１−図３に図示せず）の必要な電気的分離（より重要）を維持するための、同じ又は類似のグロー放電１８の使用とを含む。
【００２４】
ある意味で現状の最高のＰＭフィルタに関連した追加の設計の特徴は、水の凝縮についての懸念を克服する機構（除去、又は好ましくはセンサ加熱により無害にされる）を備え、すすセンサ電極をこの同じハウジング内に収容して、コスト、全体の大きさ及びプラズマ清浄の共同作用を低減する。
【００２５】
グロー放電装置１１の別の実施形態が、図４に示すシステム２０である。図５により詳細に示されている走査型ファブリ−ペロー・フィルタ２６は、所望される応用で要望されるバンドパス（帯域通過）及び波長範囲に適合される。ＰＭフィルタリングされたガス１６は、グロー放電装置１１に入り、グロー放電１８の近傍に入る。放電１８は、ガラスのキャピラリ又は管３３に閉じ込められる。放電１８は、放電がなされる電極３１および３２に接続された電源２８からの約１００ないし４００ボルトの電圧により開始され、維持される。光管３４又は他の光移送機構が、窓２５でガラス管３３に光学的に接続されて、放電の光２７を、非分散性ファブリ−ペロー狭帯域通過走査型フィルタ２６へ送る。フィルタ２６は、光２７のスペクトル分析を提供する。
【００２６】
フィルタ２６は、ＭＤＤ放出分析のためのファブリ−ペロー（ＦＰ）・ベースのＭＥＭＳ分光器である。光管３４は、フィルタ２６のパイレックス（登録商標）又はクォーツ窓３６に光学的に結合される。窓３６は、ＵＶ阻止フィルタである。図５に示されるように、光２７は、窓３６を通って約５ミル（２５マイクロメートル）の高さの空洞３７を有するＦＰ空洞の中に伝搬する。空洞３７は、対象とする特定の周波数を通過させるか又はフィルタリングするように空洞３７を調整するための、上下に動くエタロン３８を有する。エタロン３８の移動は、制御信号線４５を用いて行われる。この調整により、通過させる又は阻止する光２７の波長をが決定される。空洞３７は、サファイア・ベース３８及び窓３６を用いて形成され、環境ハーメチック・シール３９が空洞３７の周りに形成されて、空洞３７の中に空間を提供し、且つ空洞３７をその環境から密閉するための窓３６とサファイア基台３８との間のシールを提供する。空洞３７を通る光２７の一部が、検出器４１のアレイにより検知される。検出器４１は、直線状又は別の種類のアレイの形であり、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ又は他の適切な又は使用可能な材料から構成される。検出器４１は、光信号２７を、読み出し集積回路４２へ入力される電気信号へと変換する。回路４２は、信号を分析して、サンプル・ガス１６についての情報を提供するためのプロセッサを有する。パッケージ４３は、全体的に、フィルタ２６の少なくとも一部を囲むために用いられる。回路４２の出力は、光２７のスペクトル分析を提供する。この分析は、グロー放電１８を通るサンプリングされたガス１６の組成を示す。
【００２７】
フィルタ２６の動作中に、約１ｎｍないし３ｎｍの半値幅の１つのみの（そして並列して多くのものはない）タイン（ｔｉｎｅ）（＝ファブリ−ペロー櫛形フィルタの透過ピーク）が走査を行い、他のものは、走査範囲の外側であるように、設計され得ることを、想定し得る。図９の表は、ガス検知のためのＦＰベースの波長変調のパラメータを示す。その表は、ＭＤＤのこの応用を達成するために必要とされ、また他の応用（ＣＯ及びＯ２検知）のために必要とされる、ＦＰフィルタ設計パラメータの幾つかの例を提供する。図９に示されるパラメータは、とりわけ、パラメータ中の、検知されるガス、帯域中心、タイン間隔、線幅、υ／Δυ、ＦＰ間隔、ディザ、帯域限界、及びフィネス（ｆｉｎｅｓｓｅ）を含み得る。
【００２８】
空洞３７のＦＰ間隔層３８が所与の量だけディザ（ｄｉｔｈｅｒ）されると、Δλ線幅バンドパスは、帯域中心の周りの±タイン間隔（単位ｃｍ−１又はｎｍ）を、又は示された帯域限界（単位ｎｍ）の間を、走査する。図９の表の最後の行に関しての計算されたファブリ−ペロー帯域幅及びスペクトル位置（そしてＡｌＧａＮ検出器アレイの応答を含む）が、最小、中心、及び最大の波長位置のそれぞれについて、対応するエタロン・ミラー間隔とともに、図１０に示されている。図１０は、ＭＥＭＳ  ＦＰフィルタの波長走査に関する「波長」対「透過率」（単位パーセンテージ）を示す。波長位置は、図１０の計算された例においては、約２９０から３６０ｎｍであるＡｌＧａＮ検出器の使用可能な波長感度範囲により制限される。
【００２９】
図４のシステム２０の特徴は、例示的な放出帯域としてとらえることができる。なお、その例に関しては、走査型ＦＰフィルタ及び検出器２６が、下記の測定性能（λ及び±Δλ／２）を達成することが必要であろう。即ち、２４７．２又は２５８．８±１．４ｎｍにおいてＮＯ、３３６．９又は３５７．５±２ｎｍにおいて基準Ｎ２、及び２５１．２±２．５及び３６２．３±４ｎｍにおいて、それぞれ、オフＮＯ（ｏｆｆ−ＮＯ）及びオフＮ２である。
【００３０】
達成可能なＦＰフィルタ２６のフィネスに対するＦナンバーの既知の影響を考慮することができるが、それは、ここでは更制約的であり得る。しかしながら、波長バンドパスの、温度により誘発されるドリフトに対する感度を小さくし、それに加えて放電装置１１の温度範囲定格により制限されるように、ＦＰフィルタ２６を設計することができる。
【００３１】
センサ・システム２０は、下記のことに基づく。即ち、非分散性（ファブリ−ペロー・ベース）スペクトル分析（分散分光分析では無い）又は干渉フィルタを用いての、未知のガス混合サンプルのスペクトル放出分析を介してのガス検知のためのプラズマ・マイクロ放電装置（ＭＤＤ）と、ＭＥＭＳベースのＦＰフィルタ設計を介して実行されるファブリ−ペロー（ＦＰ）波長走査と、高速ガス・クロマトグラフィ・ピーク（ＧＣ）分析器としての、及び独立的に、１ユニットでのＮＯ、Ｏ２、ＳＯ２用のスタンドアローン型ガス・センサとしての、上記組立体（ＭＤＤ及びＦＰベースのスペクトル・フィルタの組立体）の新しい使用と、フォールス・ポジティブ（ｆａｌｓｅ  ｐｏｓｉｔｉｖｅｓ、擬陽性）Ｐｆｐに関しての確率が低い上記組立体（ＭＤＤ＋ＦＰ＋ＧＣ）（これにより、ＧＣは、μＧＣ又はμＧＣ−μＧＣ又はμＧＣ−μＧＣ−ＭＤＤガス混合分析器である）の新しい使用と、放電が窓２５を自己清浄し且つ希ガス・パージ無しで動作するＭＤＤの設計とに基づいている。
【００３２】
システム１０及び２０の良好な実現は、フェーズド（ＰＨＡＳＥＤ）により表されるように、この放電装置１１及び検出器をＧＣ−ＣＧ−ＭＤＤマイクロ分析器の一部として用いると、フォールス・ポジティブの確率を低くすることを可能にする。
【００３３】
検知システム１０及び２０は、従来提案された又は提供された排気ガス組成検知システムを越えた次の利点を提供する。この検知システムは、化学ルミネッセンス・ベースのセンサ・システムよりもコンパクトで、堅牢で、低コストである。この検知システムは、金属酸化物又は触媒ベースの従来の光センサ・システムよりも安定している。この検知システムは、ＺｒＯ２ベースのＮＯ及びＯ２のセンサ・システムよりもエネルギ消費が少なく、そして、他のＺｒＯ２−ＮＯ／Ｏ２センサ・システムよりも温度変化に対する耐性が高い。この検知システムは、多層ＺｒＯ２、金属酸化物、又は触媒ベースのセンサ・システムより製造し易い。この検知システムは、すすセンサ・システムと互換性があり且つ統合することが容易である。
【００３４】
図６のシステム３０は、システム１０及び２０の放電ギャップ装置に似た放電ギャップ装置１１を有するが、サンプル・ガス１６についての情報を明らかにするために放電１８の放出を分析するために、光２７が光管３４を介して分散分光器４７へ送られる点が異なる。ＣＣＤ光検出アレイ４９の様々なピクセルのそれぞれへ向けて様々な波長の光２７を反射させるために、光２７は光学的回折格子４８へ送られる。アレイ４９からの電気信号は、分析及び解釈のためにプロセッサ５１へ進む。
【００３５】
本発明を少なくとも１つの例示的実施形態に関して説明したが、多くの変形及び変更が、本明細書を読んだ当業者には明らかになるであろう。従って、特許請求の範囲は、従来技術に鑑みてそのような変形及び変更を含むように、広く解釈されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、干渉フィルタを介する光入力に基づく光マルチチャネル分析器に光学的に結合されたマイクロ放電装置を示す。
【図２】図２は、光ファイバ・インターフェースに対する放電ギャップを接近して見た図である。
【図３】図３は、排気管に装着された放電ギャップ・ハウジングを示す。
【図４】図４は、走査型ファブリ−ペロー・フィルタに基づく光学的な単一チャネルの波長変調式分析器に光学的に結合されたマイクロ放電装置を示す。
【図５】図５は、ファブリ−ペロー型分析器を接近して見た図である。
【図６】図６は、分光器に光学的に結合されたマイクロ放電装置を示す。
【図７】図７は、Ｎ２中にＮＯを含む混合物の場合のグロー放電のスペクトル放出に関する波長と相対強度とのグラフである。
【図８】図８は、様々な屈折率の物質に関する角感度データの表である。
【図９】図９は、ガス検知における波長変調に関するファブリ−ペロー・フィルタ設計パラメータの表である。
【図１０】図１０は、ファブリ−ペロー・フィルタの波長走査のグラフである。
【図１】
2007517224.tif 000003
【図２】
2007517224.tif 000004
【図３】
2007517224.tif 000005
【図４】
2007517224.tif 000006
【図５】
2007517224.tif 000007
【図６】
2007517224.tif 000008
【図７】
2007517224.tif 000009
【図８】
2007517224.tif 000010
【図９】
2007517224.tif 000011
【図１０】
2007517224.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成18年9月5日(2006.9.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ・システムであって、
第１の電極と、
前記第１の電極に近接して配され、前記第１の電極との間にギャップを形成する第２の電極と、
前記ギャップに近接した第１の端部を有する光導波路と、
前記光導波路の第２の端部に近接したフィルタと、
前記第１の電極及び前記第２の電極を囲む光学的筐体と
を備え、
前記光導波路の前記第１の端部が、前記光学的筐体に近接しており、
前記ギャップが電気的放電ギャップである、
センサ・システム。
【請求項２】
センサ・システムであって、
第１の電極と、
前記第１の電極に近接して配され、前記第１の電極との間にギャップを形成する第２の電極と、
前記ギャップに光学的に接続された第１の端部と、第２の端部とを有する光導波路と、
前記光導波路の前記第２の端部に光学的に接続された分光器と
を備えるセンサ・システム。
【請求項３】
検知装置であって、
電気的放電を与える手段と、
流体を、前記電気的放電を与える手段の近傍に結合する手段と、
前記電気的放電を与える手段に光学的に結合された、光を分析する手段と
を備える検知装置。
【請求項４】
流体を検出する方法であって、
電気的放電を与えるステップと、
流体を前記電気的放電のところへ送るステップと、
前記電気的放電からの光を分析するステップと
を備える方法。
【国際調査報告】
2007517224.tif 000013
2007517224.tif 000014
2007517224.tif 000015
2007517224.tif 000016
2007517224.tif 000017