(57)【要約】  適応フィードバック制御アルゴリズムに従い、素子に供給される電力を調整することによって、素子の電気加熱を制御し、一定した電気抵抗を維持するためのシステムおよび方法であり、ここで、全てのパラメータは、（１）任意に選択されるか、（２）被制御素子の物理的特性によって予め決定されるか、または（３）リアルタイムで測定される。従来の比例−積分−微分（ＰＩＤ）制御機構と異なり、本発明のシステムおよび方法は、異なる被制御素子と関連して用いられるか、または異なる動作条件下で用いられる場合に、比例定数の再調整が必要ではなく、したがって被制御素子および動作条件の変化に適応性がある。
2007522458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定した電気抵抗Ｒｓを維持するために、素子の電気加熱を制御するための方法であって、前記方法が、
（ａ）  前記素子を加熱してその電気抵抗をＲｓに増加させるのに十分な量で、前記素子へ電力を供給し、同時に、前記素子のリアルタイム電気抵抗Ｒを監視して、ＲとＲｓとの間のどんな差も検出するようにすることと、
（ｂ）  ＲとＲｓとの間の差を検出すると、前記素子に供給される前記電力を、
【数１】
2007522458.tif 000036
によってほぼ決定される量ΔＷだけ調整することと、
を含み、ここで、ｍが、前記素子の熱質量であり、αρが、前記素子における電気抵抗の温度係数であり、Ｒ０が、基準温度で測定された前記素子の標準電気抵抗であり、ｔが、電気抵抗差の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、Ｒ（０）が、最後の電力調整において測定された前記素子の電気抵抗であり、ｆｓが、電力調整が周期的に実行される所定の頻度である方法。
【請求項２】
前記電力調整が、前記素子を通過する電流を、
【数２】
2007522458.tif 000037
によってほぼ決定される量ΔＩだけ調整することによって実行され、ここで、Ｉが、前記調整の前に前記素子を通過する電流である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電力調整が、前記素子に印加される電圧を、
【数３】
2007522458.tif 000038
によってほぼ決定される量ΔＶだけ調整することによって実行され、ここで、Ｖが、前記調整の前に前記素子に印加される電圧である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ΔＷが、
【数４】
2007522458.tif 000039
によってほぼ決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
Ｒ（０）がＲｓにほぼ等しく、ΔＷが、
【数５】
2007522458.tif 000040
によってほぼ決定される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記素子が、対象ガス種の存在に影響を受けやすい環境を監視するための電気ガスセンサを含み、前記ガスセンサが、高温で前記対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらすための触媒表面を含み、結果として、前記対象ガス種の存在が、前記ガスセンサにおいて温度変化ならびに電気抵抗変化を引き起こし、それに応じて、前記ガスセンサに供給される電力の調整が達成され、前記電力調整が、前記環境における前記対象ガス種の存在および濃度と相関し、かつそれらを示す、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記電気ガスセンサが、化学的に不活性な電気絶縁材料で形成されたコアと、導電性の触媒材料で形成されたコーティングとを有する１つまたは複数のフィラメントを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
各ガス検知サイクルが、
（１）  定常状態に達するために、前記対象ガス種がない不活性環境において、十分な期間、前記ガスセンサを予熱するステップと、
（２）  前記定常状態において前記ガスセンサの電気抵抗を測定し、それを前記一定値（Ｒｓ）として設定するステップと、
（３）  続いて、前記ガスセンサを、前記対象ガス種の存在に影響を受けやすい前記環境に曝すステップと、
（４）  前記ガスセンサに供給される前記電力を調整することによって、前記ガスセンサの電気抵抗をＲｓに維持するステップと、
（５）  電力調整に基づいて、前記対象ガス種の存在および濃度を決定するステップと、
を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
素子の電気加熱を制御して前記素子を一定した電気抵抗Ｒｓに維持するためのシステムであって、前記システムが、
（ａ）  前記素子を加熱する電力を供給するために、前記素子に結合された調整可能電源と、
（ｂ）  前記素子のリアルタイム電気抵抗Ｒを監視するため、かつＲとＲｓとの間の差を検出すると、それに応じて、前記素子に供給される前記電力を、
【数１】
2007522458.tif 000041
によってほぼ決定される量ΔＷだけ調整するために、前記素子および前記電源に結合されたコントローラと
を含み、ここで、ｍが、前記素子の熱質量であり、αρが、前記素子における電気抵抗の温度係数であり、Ｒ０が、基準温度で測定された前記素子の標準電気抵抗であり、ｔが、電気抵抗差の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、Ｒ（０）が、最後の電力調整において測定された前記素子の電気抵抗であり、ｆｓが、電力調整が周期的に実行される所定の頻度であるシステム。
【請求項１０】
前記コントローラが少なくとも１つの電気抵抗計を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記コントローラが、少なくとも１つの電流計および少なくとも１つの電圧計を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記電力調整が、前記素子を通過する電流を、
【数２】
2007522458.tif 000042
によってほぼ決定される量ΔＩだけ調整することによって実行され、ここで、Ｉが、前記調整の前に前記素子を通過する電流である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記電力調整が、前記素子に印加される電圧を、
【数３】
2007522458.tif 000043
によってほぼ決定される量ΔＶだけ調整することによって実行され、ここで、Ｖが、前記調整の前に前記素子に印加される電圧である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
ΔＷが、
【数４】
2007522458.tif 000044
によってほぼ決定される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
Ｒ（０）がＲｓにほぼ等しく、ΔＷが、
【数５】
2007522458.tif 000045
によってほぼ決定される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記素子が、対象ガス種の存在に影響を受けやすい環境を監視するための電気ガスセンサを含み、前記ガスセンサが、高温で前記対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらすための触媒表面を含み、結果として、前記対象ガス種の存在が、前記ガスセンサにおいて温度変化ならびに電気抵抗変化を引き起こし、それに応じて、前記ガスセンサに供給される電力の調整が達成され、前記電力調整が、前記環境における前記対象ガス種の存在および濃度と相関し、かつそれらを示す、請求項９に記載のシステム。
【請求項１７】
前記電気ガスセンサが、化学的に不活性な電気絶縁材料から形成されたコアと、導電性の触媒材料から形成されたコーティングとを有する１つまたは複数のフィラメントを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
対象ガス種を検出するためのガス検知システムであって、前記システムが、
（ａ）  高温で前記対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらす触媒表面を有する電気ガスセンサ素子と、
（ｂ）  前記ガスセンサ素子を加熱する電力を供給するために、前記ガスセンサ素子に結合された調整可能電源と、
（ｃ）  前記ガスセンサ素子に供給される前記電力を調整して一定した電気抵抗Ｒｓを維持するために、前記ガスセンサ素子および前記電源に結合されたコントローラと、
（ｄ）  前記一定した電気抵抗Ｒｓを維持するために必要な電力調整に基づいて、前記対象ガス種の存在および濃度を決定するための、前記コントローラに接続されたガス組成解析プロセッサと、
を含み、前記電力が、前記ガスセンサ素子において電気抵抗変化が検出されると、
【数１】
2007522458.tif 000046
によってほぼ決定される量ΔＷだけ調整され、ここで、ｍが、前記ガスセンサ素子の熱質量であり、αρが、前記ガスセンサ素子における電気抵抗の温度係数であり、Ｒ０が、基準温度で測定された前記ガスセンサ素子の標準電気抵抗であり、ｔが、電気抵抗変化の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、Ｒが、現時点で測定された前記ガスセンサ素子の電気抵抗であり、Ｒ（０）が、最後の電力調整において測定された前記ガスセンサ素子の電気抵抗であり、ｆｓが、電力調整が周期的に実行される所定の頻度であるガス検知システム。
【請求項１９】
対象ガス種の存在に影響を受けやすい環境において、前記対象ガス種の存在を検出するための方法であって、
（ａ）  高温で前記対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらす触媒表面を有する電気ガスセンサ素子を準備するステップと、
（ｂ）  定常状態に達するために、前記対象ガス種がない不活性環境において、十分な期間、前記ガスセンサ素子を予熱するステップと、
（ｃ）  定常状態において、前記ガスセンサ素子の電気抵抗Ｒｓを決定するステップと、
（ｄ）  前記対象ガス種の存在に影響を受けやすい前記環境に、前記ガスセンサ素子を配置するステップと、
（ｅ）  前記ガスセンサ素子の電気抵抗をＲｓに維持するために、前記ガスセンサ素子に供給される電力を調整するステップと、
（ｆ）  前記電気抵抗Ｒｓを維持するために必要な電力調整に基づいて、前記ガス種の影響を受けやすい前記環境において、前記対象ガス種の存在および濃度を決定するステップと、
を含む方法。
【請求項２０】
一定した電気抵抗Ｒｓを維持するために、素子の電気加熱を制御するための方法であって、前記方法が、
（ａ）  前記素子を加熱してその電気抵抗をＲｓに増加させるのに十分な量で、前記素子へ電力を供給し、同時に、前記素子のリアルタイム電気抵抗Ｒを監視して、ＲとＲｓとの間のどんな差も検出するようにすることと、
（ｂ）  ＲとＲｓとの間の差を検出すると、前記素子に供給される前記電力を、
【数６】
2007522458.tif 000047
によってほぼ決定される量ΔＷだけ調整することと、
を含み、ここでｒが、約０．１〜約１０の範囲における比例定数であり、ｍが、前記素子の熱質量であり、αρが、前記素子における電気抵抗の温度係数であり、Ｒ０が、基準温度で測定された前記素子の標準電気抵抗であり、ｔが、電気抵抗差の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、Ｒ（０）が、最後の電力調整において測定された前記素子の電気抵抗であり、ｆｓが、電力調整が周期的に実行される所定の頻度である方法。
【請求項２１】
素子の電気加熱を制御して前記素子を一定した電気抵抗Ｒｓに維持するためのシステムであって、前記システムが、
（ａ）  前記素子を加熱する電力を供給するために、前記素子に結合された調整可能電源と、
（ｂ）  前記素子のリアルタイム電気抵抗Ｒを監視するため、かつＲとＲｓとの間の差を検出すると、それに応じて、前記素子に供給される前記電力を、
【数６】
2007522458.tif 000048
によってほぼ決定される量ΔＷだけ調整するために、前記素子および前記電源に結合されたコントローラと
を含み、ここで、ｒが、約０．１〜約１０の範囲における比例定数であり、ｍが、前記素子の熱質量であり、αρが、前記素子における電気抵抗の温度係数であり、Ｒ０が、基準温度で測定された前記素子の標準電気抵抗であり、ｔが、電気抵抗差の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、Ｒ（０）が、最後の電力調整において測定された前記素子の電気抵抗であり、ｆｓが、電力調整が周期的に実行される所定の頻度であるシステム。
【請求項２２】
対象ガス種を検出するためのガス検知システムであって、前記システムが、
（ａ）  高温で前記対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらす触媒表面を有する電気ガスセンサ素子と、
（ｂ）  前記ガスセンサ素子を加熱する電力を供給するために、前記ガスセンサ素子に結合された調整可能電源と、
（ｃ）  前記ガスセンサ素子に供給される前記電力を調整して一定した電気抵抗Ｒｓを維持するために、前記ガスセンサ素子および前記電源に結合されたコントローラと、
（ｄ）  前記一定した電気抵抗Ｒｓを維持するために必要な電力調整に基づいて、前記対象ガス種の存在および濃度を決定するための、前記コントローラに接続されたガス組成解析プロセッサと、
を含み、前記電力が、前記ガスセンサ素子において電気抵抗変化が検出されると、
【数６】
2007522458.tif 000049
によってほぼ決定される量ΔＷだけ調整され、ここで、ｒが、約０．１〜約１０の範囲にわたる比例定数であり、ｍが、前記ガスセンサ素子の熱質量であり、αρが、前記ガスセンサ素子における電気抵抗の温度係数であり、Ｒ０が、基準温度で測定された前記ガスセンサ素子の標準電気抵抗であり、ｔが、電気抵抗変化の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、Ｒが、現時点で測定された前記ガスセンサ素子の電気抵抗であり、Ｒ（０）が、最後の電力調整において測定された前記ガスセンサ素子の電気抵抗であり、ｆｓが、電力調整が周期的に実行される所定の頻度であるガス検知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府の権利
米国政府は、「マイクロエレクトロニクスの製造における閉ループプロセス制御ならびにプラズマエッチングおよびクリーン反応の最適化のための、新規な薄膜化学を用いる集積ＭＥＭＳリアクタガスモニタ」と題する契約第７０ＮＡＮＢ９Ｈ３０１８号に従って、本発明に自身の権利を有し得る。
【０００２】
発明の背景
発明の分野
本発明は、素子の電気加熱を制御し、かつ素子の一定した抵抗動作を維持するための適応フィードバック制御システムおよび方法に関し、特に、電気ガスセンサ素子を一定した電気抵抗に維持するために必要な調整量に基づいて、対象ガス種の存在および濃度を決定するためのガス検知システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
被加熱貴金属フィラメントを含む燃焼ベースのガスセンサは、対象の可燃性ガス種の存在および濃度を検出するために広く用いられている。かかるガス種の触媒燃焼が、かかる被加熱貴金属フィラメントの表面に誘発され、結果としてかかるフィラメントの温度の検出可能な変化がもたらされる。各ガスセンサには、通常、フィラメントのマッチングペアが含まれる。すなわち、第１のフィラメント−検出器として知られている−は、対象ガス種の燃焼に能動的に触媒作用をもたらして温度変化を引き起こし、第２のフィラメント−補償器として知られている−は、触媒材料を含まず、したがって、周囲条件における変化を単に受動的に補償する。フィラメントのかかるペアがホイートストンブリッジ回路に組み込まれた場合に、不平衡信号が生成され、対象ガス種の存在を示すことができる。
【０００４】
燃焼ベースのガスセンサを所定温度で動作させて、既知の一定した燃焼率を維持することが多くの場合望ましいので、従来のガスセンサは、被加熱貴金属フィラメントに供給される電力を調整するためにフィードバック制御回路を利用し、燃焼によって引き起こされる温度変化を補償する。換言すれば、燃焼によって発生される熱が多ければ多いほど、一定した温度動作を維持するために、それだけ多くの調整が必要であり、燃焼によって発生される熱が少なければ少ないほど、それだけ少ない調整が必要になる。かかる方法で、ガス種の存在と同様に濃度も、検出器および補償器を一定した温度に維持するために必要な調整量に基づいて決定することができる（すなわち、調整が必要でない場合には、対象ガス種は存在せず、必要な調整が大きければ大きいほど、かかるガス種の濃度は、それだけ高い）。
【０００５】
金属フィラメントの温度は、様々な電気装置によって正確に測定可能な電気抵抗に直接に影響するので、従来のガスセンサによって用いられるフィードバック制御回路は、通常、入力（ｒ）として電気抵抗設定値（Ｒｓ）を提供し、金属フィラメントの電気抵抗（Ｒ）を、かかるフィラメントの温度変化を示す出力（ｃ）として監視し、他方で、出力電気抵抗（Ｒ）はまた、検出された任意の温度変化を補償するために、フィラメントを通過する電流を調整するためのフィードバック信号として用いられる。具体的には、かかる入力設定値抵抗（Ｒｓ）と出力電気抵抗（Ｒ）のフィードバック信号との間の差が、エラー信号（ｅ＝Ｒｓ−Ｒ）として記録され、それに基づいて、制御信号（ｕ）が決定され、金属フィラメントに供給される電力を操作してエラー信号（ｅ）を低減するために用いられる。
【０００６】
周知の比例−積分−微分（ＰＩＤ）フィードバック制御システムは、制御信号（ｕ）をエラー信号（ｅ）の関数として決定するが、制御信号（ｕ）には、（１）比例項（ＫＰ×ｅ）、（２）積分項（ＫＩ×∫ｅ（ｔ）ｄｔ）および（３）微分項
【数７】
2007522458.tif 000003
を含む３項が含まれる。比例項（ＫＰ×ｅ）はエラー信号（ｅ）に比例し、ここでＫＰはその比例定数である。積分項（ＫＩ×∫ｅ（ｔ）ｄｔ）はエラー信号（ｅ）の時間積分に比例し、ここで、ＫＩはその比例定数である。微分項
【数７】
2007522458.tif 000004
はエラー信号（ｅ）の時間微分に比例し、ここで、ＫＤはその比例定数である。
【０００７】
従来のＰＩＤフィードバック制御システムの主な欠点および限界は、動作条件の特定のセットにおいて、各被制御素子のための比例定数（ＫＰ、ＫＩおよびＫＤ）を経験的に調整する必要性にある。なぜなら、かかる比例定数の最適値は、素子から素子へ、かつ様々な動作条件において著しく変化するからである。したがって、被制御素子または動作条件が変化するときはいつでも、かかる比例定数（ＫＰ、ＫＩおよびＫＤ）は、再調整されなければならない。かかるＰＩＤフィードバック制御システムが、燃焼ベースのガスセンサ、すなわち、センサ素子の追加／取り外し／取り替えが頻繁であり、かつ動作条件が、ガス濃度、圧力、温度、湿度等における変動ゆえに絶えず変化する燃焼ベースのガスセンサ、を制御するために用いられる場合には、再調整の仕事は、労働集約的で厄介になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、燃焼ベースのガスセンサの一定した抵抗動作を維持するためのフィードバック制御システムおよび方法、すなわち、センサ素子および動作条件における変動に適応性があり、かつセンサ素子または動作条件が変化した場合に、最小限の再調整が必要かまたは再調整を全く必要としないフィードバックシステムおよび方法、を提供することである。
【０００９】
本発明の目的はまた、一般的な電気被加熱素子の一定した抵抗動作を維持するための適応フィードバック制御システムおよび方法を提供することである。
【００１０】
本発明の他の態様、特徴および利点は、続く開示および添付の特許請求の範囲から、より完全に明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明の概要
本発明は、一態様において、一定した電気抵抗Ｒｓを維持するために素子の電気加熱を制御するための方法に関し、この方法には、
（ａ）  かかる素子を加熱するために十分な量で、かかる素子に電力を供給し、かつその電気抵抗をＲｓに増加させ、同時に、かかる素子のリアルタイム電気抵抗Ｒを、ＲとＲｓとの間のどんな差も検出するために、監視することと、
（ｂ）  ＲとＲｓとの間の差を検出すると、かかる素子に供給される電力を、
【数１】
2007522458.tif 000005
によって決定される量ΔＷだけ調整することと、
が含まれ、ここで、ｍは、かかる素子の熱質量であり、αρは、かかる素子における電気抵抗の温度係数であり、Ｒ０は、基準温度で測定されたかかる素子の標準電気抵抗であり、ｔは、電気抵抗差の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、Ｒ（０）は、最後の電力調整において測定されたかかる素子の電気抵抗であり、ｆｓは、電力調整が周期的に実行される所定の頻度である。
【００１２】
本発明の第１の実施形態は、受動適応フィードバック制御機構に関するが、これは、ＲとＲｓとの間の差を検出し、かつ既に生じた抵抗変化を受動的に補償するために、素子に供給される電力を調整して、素子の電気抵抗をＲｓに戻す。かかる受動適応フィードバック制御機構では、電力調整ΔＷは、
【数８】
2007522458.tif 000006
によって決定される。
【００１３】
本発明の第２の実施形態は、能動適応フィードバック制御機構に関するが、これは、電気抵抗変化の検出と電力調整との間の遅延を認識し、現時点と所定の将来時刻との間に生じるであろう抵抗変化量を見積もり、かつ、既に生じた抵抗変化だけでなく、見積もられる将来の抵抗変化も能動的に補償するように、素子に供給される電力を調整して、将来時刻のために、素子の電気抵抗をＲｓに戻す。かかる将来時刻の特定の選択に依存して、かかる能動適応フィードバック制御機構は、電力調整量ΔＷを下記のように決定することができる。
【００１４】
将来時刻が、少なくとも、電気抵抗差の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔ｔで設定される場合には、ΔＷはほぼ、
【数４】
2007522458.tif 000007
である。
【００１５】
電力の周期的な調整が所定の頻度ｆｓで提供される場合には、将来時刻は調整間隔１／ｆｓに等しく、ΔＷはほぼ、
【数９】
2007522458.tif 000008
である。
【００１６】
従来のＰＩＤフィードバック制御機構に優る本発明の適応フィードバック制御機構の主な利点は、制御信号（すなわち電力調整ΔＷ）を決定するための上記の関数で用いられる全てのパラメータが、（１）任意に選択されるか（Ｒｓおよびｆｓなど）、（２）被制御素子の物理的特性によって予め決定されるか（ｍ、αρおよびＲ０など）、または（３）動作中にリアルタイムで測定される（Ｒ（０）、Ｒおよびｔなど）ということである。かかる被制御素子を一定した抵抗動作に維持する制御信号を決定するための経験的な再調整は、被制御素子および動作条件の変化にかかわらず、必要ではなく、これによって、運転費用が著しく低減され、動作の柔軟性が向上される。さらに、被制御素子の物理的特性によって予め決定されるこれらのパラメータ（ｍ、αρおよびＲ０など）は、一度測定する必要があるだけであり、類似した構成の全ての素子に引き続き適用され、それによって、被制御素子の追加／取り外し／取り替えの場合に必要なシステム調整がさらに低減される。
【００１７】
電力調整は、被制御素子を通過する電流またはかかる素子に印加される電圧を調整することによって、本発明において実行することができる。
【００１８】
具体的には、被制御素子を通過する電流は、
【数２】
2007522458.tif 000009
によってほぼ決定される量ΔＩによって調整することができ、ここで、Ｉは、かかる調整の前に素子を通過する電流である。
【００１９】
代替として、かかる素子に印加される電圧は、
【数３】
2007522458.tif 000010
によってほぼ決定される量ΔＶによって調整することができ、ここで、Ｖは、調整の前に素子に印加される電圧である。
【００２０】
本出願の好ましい実施形態において、被制御素子は、対象ガス種の存在に影響を受けやすい環境を監視するための電気ガスセンサである。具体的には、かかるガスセンサは、高温で対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらすことができる触媒表面を有する。したがって、環境におけるかかる対象ガス種の存在によって、ガスセンサにおいて温度変化ならびに電気抵抗変化が引き起こされ、これに応じて、上記のように、ガスセンサに供給される電力の調整がもたられる。かかるガスセンサを一定した抵抗動作に維持するために必要な電力調整量は、環境における対象ガス種の存在および濃度と相関し、存在および濃度を示す。
【００２１】
上記の電気ガスセンサには、化学的に不活性な非導電材料で形成されたコアと、導電性の触媒材料でコア上に形成されたコーティングと、を有する１つまたは複数のガスセンサフィラメントが含まれるのが好ましい。かかるガス検知フィラメントのコーティングには、Ｐｔ薄膜などの貴金属薄膜が含まれるのがより好ましいが、この薄膜は、フランク・ディメオ・ジュニア（Ｆｒａｎｋ  Ｄｉｍｅｏ  Ｊｒ．）、フィリップ・Ｓ．Ｈ．チェン（Ｐｈｉｌｉｐ  Ｓ．Ｈ．Ｃｈｅｎ）、ジェフリー・Ｗ．ニューナー（Ｊｅｆｆｒｅｙ  Ｗ．Ｎｅｕｎｅｒ）、ジェームズ・ウェルチ（Ｊａｍｅｓ  Ｗｅｌｃｈ）、ミッシェル・スタヴァッツ（Ｍｉｃｈｅｌｅ  Ｓｔａｗａｓｚ）、トマス・Ｈ．ボーム（Ｔｈｏｍａｓ  Ｈ．Ｂａｕｍ）、マッケンジー・Ｅ．キング（Ｍａｃｈｅｎｚｉｅ  Ｅ．Ｋｉｎｇ）、イン−シン・チェン（Ｉｎｇ−Ｓｈｉｎ  Ｃｈｅｎ）およびジェフリー・Ｆ．ローダ（Ｊｅｆｆｒｅｙ  Ｆ．Ｒｏｅｄｅｒ）の名で２００２年１０月１７日に出願された「半導体処理システムにおいてフッ素種を検知するための装置およびプロセス（ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＡＮＤ  ＰＲＯＣＥＳＳ  ＦＯＲ  ＳＥＮＳＩＮＧ  ＦＬＵＯＲＯ  ＳＰＥＣＩＥＳ  ＩＮ  ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭＳ）」なる名称の米国特許出願第１０／２７３，０３６号明細書に開示されており、この開示は、あらゆる目的のためにその全体において、参照により本明細書に援用されている。
【００２２】
かかるフィラメントセンサは、対象の反応ガス種を検出するために用いられる場合には、最初に、それが定常状態に達するまで、十分な期間、不活性環境（すなわち、対象ガス種がない）で予熱されるが、この定常状態は、加熱効率、およびかかるフィラメントセンサを囲む周囲温度が安定し、かつかかるフィラメントセンサにおける温度変化の割合がほぼゼロに等しい状態として定義される。次に、定常状態におけるかかるセンサの電気抵抗が決定され、それが、続く一定した抵抗動作における設定値または一定した抵抗値Ｒｓとしてそれは用いられることになる。続いて、フィラメントセンサは、対象ガス種の存在に影響を受けやすい環境に曝される。かかるフィラメントセンサの電気抵抗における検出可能な変化（すなわち設定値の抵抗値Ｒｓからの検出可能な偏差）が、対象ガス種が環境に存在する場合には、観察される。なぜなら、フィラメントベースのガスセンサの被加熱触媒表面の対する、対象ガス種の発熱または吸熱反応によって、かかるガスセンサに温度変化が引き起こされるからである。それに対応して、上記の適応フィードバック制御機構は、かかるフィラメントセンサに供給される電力を調整し、フィラメントセンサの電気抵抗を設定値または一定値Ｒｓに維持する。
【００２３】
かかる方法で、設定値または一定した抵抗値Ｒｓは、各検出またはガス検知サイクルで再設定され、長期的なドリフトによって引き起こされる測定エラーは、効果的に除去可能である。さらに、フィラメントベースのガスセンサが、対象ガス種に曝される前に既に予熱され、設定値または一定値に等しい電気抵抗に達しているので、機器の「暖機」によって通常引き起こされる時間遅延が、著しく低減されるかまたは完全に除去される。
【００２４】
本発明の別の態様は、素子の電気加熱を制御し、かつ素子を一定した電気抵抗Ｒｓに維持するためのシステムに関し、このシステムには、
（ａ）  かかる素子を加熱する電力を供給するために、かかる素子に結合された調整可能電源と、
（ｂ）  かかる素子のリアルタイム電気抵抗Ｒを監視するため、かつＲとＲｓとの間の差を検出したときに、それに応じて、素子に供給される電力を、
【数１】
2007522458.tif 000011
によりほぼ決定される量ΔＷだけ調整するために、素子および電源に結合されたコントローラと、
が含まれ、ここで、ｍは、素子の熱質量であり、αρは、素子における電気抵抗の温度係数であり、Ｒ０は、基準温度で測定された素子の標準電気抵抗であり、ｔは、電気抵抗差の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、Ｒ（０）は、最後の電力調整において測定された素子の電気抵抗であり、ｆｓは、電力調整が周期的に実行される所定の頻度である。
【００２５】
好ましくは、コントローラには、被制御素子の電気抵抗を監視するための１つまたは複数の装置が含まれるが、この装置は、電気抵抗計または代替として、電圧計と共に用いられる電流計であってもよい（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）。
【００２６】
本発明のさらなる態様は、対象ガス種を検出するためのガス検知システムに関するが、このシステムには、
（ａ）  高温で対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらす触媒表面を有する電気ガスセンサ素子と、
（ｂ）  ガスセンサ素子に結合された、かかるガスセンサ素子を加熱する電力を供給するための調整可能電源と、
（ｃ）  ガスセンサ素子および電源に結合されたコントローラであって、一定した電気抵抗Ｒｓを維持するために、かかるガスセンサ素子に供給される電力を調整するためのコントローラと、
（ｄ）  一定した電気抵抗Ｒｓを維持するために必要な電力調整に基づいて、対象ガス種の存在および濃度を決定するための、コントローラに接続されたガス組成解析プロセッサと、
が含まれ、電力は、ガスセンサ素子における電気抵抗変化の検出に基づいて、
【数１】
2007522458.tif 000012
によってほぼ決定される量ΔＷだけ調整され、ここで、ｍは、かかるガスセンサ素子の熱質量であり、αρは、かかるガスセンサ素子における電気抵抗の温度係数であり、Ｒ０は、基準温度で測定されたかかるガスセンサ素子の標準電気抵抗であり、ｔは、電気抵抗変化の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、Ｒは、現時点で測定されたかかるガスセンサ素子の電気抵抗であり、Ｒ（０）は、最後の電力調整において測定されたかかるガスセンサ素子の電気抵抗であり、ｆｓは、電力調整が周期的に実行される所定の頻度である。
【００２７】
本発明のさらに別の態様は、対象ガス種の存在に影響を受けやすい環境において、対象ガス種の存在を検出する方法に関し、この方法には、
（ａ）  高温で対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらす触媒表面を有する電気ガスセンサ素子を準備するステップと、
（ｂ）  定常状態に達するために、対象ガス種がない不活性環境において、十分な期間、ガスセンサ素子を予熱するステップと、
（ｃ）  定常状態において、かかるガスセンサ素子の電気抵抗Ｒｓを決定するステップと、
（ｄ）  ガスセンサ素子を、対象ガス種の存在に影響を受けやすい環境に配置するステップと、
（ｅ）  かかるガスセンサ素子の電気抵抗をＲｓに維持するために、ガスセンサ素子に供給される電力を調整するステップと、
（ｆ）  電気抵抗Ｒｓを維持するために必要な電力調整に基づいて、かかるガス種の影響を受けやすい環境において、対象ガス種の存在および濃度を決定するステップと、
が含まれる。
【００２８】
本発明の他の態様、特徴および実施形態は、続く開示および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
発明およびその好ましい実施形態の詳細な説明
２００２年１０月１７日に出願された「半導体処理システムにおいてフッ素種を検知するための装置およびプロセス（ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＡＮＤ  ＰＲＯＣＥＳＳ  ＦＯＲ  ＳＥＮＳＩＮＧ  ＦＬＵＯＲＯ  ＳＰＥＣＩＥＳ  ＩＮ  ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭＳ）」なる名称の米国特許出願第１０／２７３，０３６号明細書、およびリッコ（Ｒｉｃｃｏ）らの米国特許第５，８３４，６２７号明細書が、あらゆる目的のためにその全体において、参照により本明細書に援用されている。
【００３０】
本明細書で用いる用語「定常状態」は、加熱効率、および電気被加熱素子を囲む周囲温度が安定し、かつかかる被加熱素子における温度変化の割合が、ほぼ０に等しい状態を指す。
【００３１】
本明細書で用いる用語「熱質量」は、前記電気被加熱素子の比熱、密度および体積の積として定義される。
【００３２】
本明細書で用いる用語「比熱」は、物質１グラムの温度を摂氏で１度上昇させるために必要な、カロリーで測定された熱量を指す。
【００３３】
一定した抵抗動作において、フィードバック制御機構は、周辺環境におけるジュール加熱の変動または電力摂動にもかかわらず、被加熱素子を一定した抵抗に維持することを目指す。
【００３４】
電気被加熱素子に対し明確に定義された抵抗−温度相関関係ゆえに、電気抵抗は、次の方程式、
【数１０】
2007522458.tif 000013
に従って、かかる素子の温度と直接に相関し、逆の場合も同様であり、ここで、Ｒ０は、基準温度Ｔ０で測定された素子の標準電気抵抗であり、αρは、かかる素子の電気抵抗の温度係数である。上記の方程式は、電気抵抗に関して、温度の線形依存性を示している。
【００３５】
熱損失機構および周囲温度における変動が無視できる状況において、素子における一定した電力束は、一定した温度、およびしたがって一定した電気抵抗を結果としてもたらし、システムは定常状態に至る。
【００３６】
しかしながら、素子における電力束が、たとえば、周辺環境におけるガス種との、かかる素子の発熱または吸熱化学反応ゆえに変動する場合には、それに対応して、かかる素子の温度および電気抵抗は変化する。一定した抵抗動作を維持するために、かかる素子に供給される電力を調整して、かかる素子が経験する合計電力束の変動を補償することが必要である。
【００３７】
かかる素子の物理的パラメータかまたは動作中にリアルタイムで測定可能なパラメータに基づいて、かかる電気被加熱素子の一定した抵抗動作を維持するのに必要な電力調整量を決定するために、１セットの適応フィードバック制御（ＡＦＣ）アルゴリズムが、本明細書で提供される。本発明のＡＦＣアルゴリズムは、経験的なテストまたは調整によって決定しなければならないパラメータを全く含まない。したがって、被制御素子自体または動作条件が変化した場合に、かかるアルゴリズムの再調整が必要ではなく、これによって、従来のＰＩＤアルゴリズムと比較して、必要なシステム調整が、著しく低減される。
【００３８】
一般に、電気被加熱素子の温度応答を支配する微分方程式は、
【数１１】
2007522458.tif 000014
であり、ここで、ｄＴ／ｄｔは、任意の特定の時点で測定されたかかる被加熱素子の温度変化の時間微分（すなわち温度変化の割合）であり、ηは、かかる素子の加熱効率であり、Ｗは、かかる素子が経験する合計電力束であり、Ｔは素子の温度であり、Ｔａは周囲温度であり、τは、熱質量ｍ（ｍ＝Ｃｐ・Ｄ・Ｖｓであり、ここで、Ｃｐ、ＤおよびＶｓは、それぞれ、被加熱素子の比熱、密度および体積である）を加熱するために必要な時間を示すη・ｍの積であり、Ｉは、かかる素子を加熱するためにそこを通過する電流であり、Ｒは、被加熱素子の電気抵抗であり、Ｗｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎは、電気加熱以外の要因によって引き起こされ、被加熱素子に加えられる電力摂動である。
【００３９】
電気加熱だけが存在する定常状態（すなわちｄＴ／ｄｔ＝０）では、被加熱素子の電流は一定値Ｉｃであり、定常状態温度Ｔｃは、
Ｔｃ＝Ｔａ＋ηＷ＝Ｔａ＋η・Ｉｃ２Ｒｃ＝Ｔａ＋η・Ｉｃ２Ｒ０・［１＋αρ（Ｔｃ−Ｔ０）］
であり、ここで、Ｒｃは、定常状態における被加熱素子の電気抵抗である。
【００４０】
Ｔｃを解けば、
【数１２】
2007522458.tif 000015
であり、ここで、
ε＝αρηＩ２Ｒ０
Ｔａ’＝（Ｔａ−εＴ０）／（１−ε）、η’＝η／（１−ε）、Ｗ’＝Ｉ２Ｒ０＋Ｗｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎであり、
Ｔａ，ｃおよびηｃは、Ｔｃが決定された時の周囲温度および加熱効率である。一定した抵抗動作のためのそれぞれの設定値Ｒｓは、好ましくは被加熱素子の定常状態抵抗値Ｒｃに等しいかまたは近いものとして、同時に決定することができる。
【００４１】
本発明のフィードバック制御機構は、被加熱素子のリアルタイム電気抵抗Ｒを、かかる素子に供給される電力を変化させることによって、設定値または一定した抵抗値Ｒｓに保つことを目指す。
【００４２】
具体的には、設定値または一定した抵抗値Ｒｓが、入力信号として供給され、被加熱素子のリアルタイム電気抵抗Ｒが、出力信号として監視され、この出力信号が、入力信号Ｒｓと比較可能になる。入力Ｒｓと出力Ｒとの間のどんな検出可能な差も、エラー信号ｅ（＝Ｒｓ−Ｒ）として扱われる。それに応じて、かかるエラー信号ｅにより、フィードバック制御機構が呼び出されて制御信号が生成され、この制御信号が、エラー信号ｅを最小限にするために、システムの操作に用いられる（すなわちフィードバック）。
【００４３】
本発明において、システムを操作するために用いられる制御信号はΔＷであり、これは、ＲとＲｓとの間の差を低減するための、被加熱素子に供給される電力の調整を表わし、かつ下記のＡＦＣアルゴリズムによって決定される。
【００４４】
受動ＡＦＣアルゴリズム
本発明のこの簡略化された実施形態において、被加熱素子は、非常に小さな電力および温度変動を伴って、常に準定常状態（ＱＳＳ）にあり、その結果、定常状態動作を支配する方程式を適用できると仮定されている。この枠内において、Ｔａ，ｃ≒Ｔおよびηｃ≒η
の間は、一定した電力動作および一定した抵抗動作は、機能的に等価である。さらに、Ｗｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎは、現時点と次の電力調整との間で時不変と見なすことができるように、経時的に非常にゆっくり変化すると仮定されている。
【００４５】
第１に、被加熱素子のために測定されるリアルタイム抵抗Ｒは、
Ｒ≒Ｒ０｛１＋αρ［（Ｔα＋η・Ｗ）−Ｔ０］｝
であり、この方程式から、かかる素子によって経験される合計電力束Ｗは、
【数１３】
2007522458.tif 000016
として導き出される。
【００４６】
素子の一定した抵抗動作のために、一定した電気抵抗値Ｒｓが選択されるかまたは予め決定されるが、この値Ｒｓは、Ｒｓを維持するために必要な合計電力Ｗｓとの次の関係を有する。すなわち、
【数１４】
2007522458.tif 000017
であり、これから、Ｒｓを維持するために必要な合計電力束Ｗｓは、
【数１５】
2007522458.tif 000018
である。
【００４７】
被加熱素子を一定した電気抵抗Ｒｓに維持するために必要な電力調整ΔＷは、
【数１６】
2007522458.tif 000019
である。
【００４８】
τを除いて、全ての他のパラメータは、素子の物理的特性によって（ｍ、αρおよびＲ０など）もしくはリアルタイムに（Ｒなど）決定されるか、または予め決定されている（Ｒｓなど）。
【００４９】
アルゴリズムをさらに簡略化するために、τは、現時点と最後の電力調整との間の時間間隔であるｔにほぼ等しいと仮定され、
【数１７】
2007522458.tif 000020
が得られる。
【００５０】
かかるＡＦＣアルゴリズムは、受動ＡＦＣアルゴリズムと呼ばれる。なぜなら、それは、調整遅延（すなわち、電気抵抗変化が生じた時間およびフィードバック制御動作が実際に呼び出された時間）を考慮せずに、既に生じて検出された抵抗変化を受動的に補償するために十分な量で電力を調整するからである（すなわち最後の電力調整から現時点まで）。
【００５１】
能動ＡＦＣアルゴリズム
受動ＡＦＣアルゴリズムを改善するために、下記のアルゴリズムを提供して、既に生じた抵抗変化だけでなく、現時点と将来時刻との間に生じるであろう抵抗変化もまた能動的に補償するのに必要なΔＷを見積もるようにする。
【００５２】
時間０（すなわち最後の電力調整の時間）と現時点ｔとの間で、被加熱素子の温度の時間微分は、
【数１８】
2007522458.tif 000021
であり、ここで、Ｒ（０）は、時間０で測定された電気抵抗である。
【００５３】
ｔ≪τ（すなわち、電気抵抗変化の検出が、ほぼ即時である）の場合に、現時点でかかる被加熱素子によって経験される合計電力Ｗは、ほぼ、
【数１９】
2007522458.tif 000022
であり、ここで、Ｒａは、周囲温度で測定された素子の電気抵抗である。
【００５４】
ｔ＋Δｔと表わすことができる将来時刻においてＲをＲｓに戻すために必要な電力調整ΔＷを見積もるために、アルゴリズムは、下記のように、Δｔの特定の選択に基づいて、修正しなければならない。
【００５５】
Ａ．Δｔ→∞のリラックス選択
この状況は、
Ｒ≒Ｒ０・｛１＋αρ［（Ｔα＋η・Ｗs）−Ｔ０］｝＝Ｒ+αρη・Ｒ０・Ｗs
である一定した電力動作と等価であり、したがって、
【数２０】
2007522458.tif 000023
である。
【００５６】
必要な電力調整ΔＷは、
【数２１】
2007522458.tif 000024
として決定される。
【００５７】
電力調整が比較的ゆるやかなので、τはｔにほぼ等しく、したがって、
【数２２】
2007522458.tif 000025
である。
【００５８】
Ｂ．バランス選択Δｔ＝ｔおよびアグレッシブ選択Δｔ＝１／ｆｓ
一般に、Δｔ≪τ（この状況では、一定した電力動作は当てはまらない）に対しては、
【数２３】
2007522458.tif 000026
である。
【００５９】
上記の方程式からΔＷを解くと、
【数２４】
2007522458.tif 000027
である。
【００６０】
Δｔがｔに等しく設定された場合には、電力調整ΔＷは、
【数２５】
2007522458.tif 000028
である。
【００６１】
本実施形態において、電力摂動は、それが過去に生じた割合に基づいて、将来のために能動的に調整される。換言すれば、フィードバック制御動作をトリガするために、経過間隔ｔを必要としたので、システムは、同じ時間間隔ｔにおける摂動を補償しようと努める。
【００６２】
代替実施形態において、フィードバック制御機構は、所定の頻度ｆｓに従って、周期的な電力調整を提供し、したがって、システムは、Δｔ＝１／ｆｓを意味する次の調整サイクルで摂動を補償しようと努める。したがって、必要な電力調整ΔＷは、
【数２６】
2007522458.tif 000029
となる。
【００６３】
要するに、電力調整ΔＷを見積もるための４つの異なるアルゴリズムが、次のように異なる近似値に基づいて、本発明によって得られる。すなわち、それらは、
【数２７】
2007522458.tif 000030
である。
【００６４】
リラックスおよびバランス状況のために用いられる異なる近似値にもかかわらず、リラックスＡＦＣおよびバランスＡＦＣアルゴリズムは、最終見積もりにおいて同じである。したがって、将来時刻Δｔが、ｔに等しいかまたはそれより大きなものとして設定された場合、ΔＷは、
【数４】
2007522458.tif 000031
として決定できるが、これは、本発明の特に好ましい実施形態である。
【００６５】
リラックス／バランスアルゴリズムと比較して、ＱＳＳアルゴリズムは、必要な電力調整を見積もるために、必要なレジスタが他のアルゴリズムよりも１つ少なく（すなわちＲ（０））、したがって、それは、計算資源が限られたシステムで採用することができる。さらに、Ｒ（０）≒Ｒｓ（すなわち、各電力調整が、素子の電気抵抗を一定値Ｒｓに完全に戻す）と仮定すると、受動ＱＳＳアルゴリズムによって見積もられる電力調整は、リラックス／バランスアルゴリズムによって見積もられた調整のちょうど半分である。
【００６６】
アグレッシブＡＦＣアルゴリズムは、調整頻度ｆｓが十分に大きい場合には、最も速いフィードバック動作を提供し、したがって、急速に変化する環境で用いるのに最も適している。
【００６７】
本発明の別の実施形態において、比例係数ｒを用い、上記に挙げたアルゴリズムによって計算された電力調整ΔＷを修正して、特定の動作システムおよび環境においてフィードバック制御結果をさらに最適化するようにすることができる。かかる比例係数ｒは、約０．１〜１０の範囲にわたってもよく、かつ過度の実験なしに、通常のシステムテストを通して、当業者によって容易に決定することができる。
【００６８】
上記で見積もられた電力調整を達成するために、電流調整機構および電圧調整機構を始めとする２つの調整機構を、代替として用いることができる。
【００６９】
電流調整
本実施形態において、被加熱素子を通過する電流（Ｉ）が、電力における調整ΔＷを達成するために、量（ΔＩ）だけ調整され、ここで、
ΔＷ＝（Ｉ＋ΔＩ）２・Ｒｓ−Ｉ２Ｒ≒Ｉ２・（Ｒｓ−Ｒ）＋２ΔＩ・ＩＲｓ
である。
【００７０】
Ｉ２（Ｒｓ−Ｒ）≪ΔＷの場合には、上記の方程式は、
ΔＷ＝２ΔＩ・ＩＲｓ
として近似させることができ、これからΔＩは、
【数２８】
2007522458.tif 000032
として解くことができる。
【００７１】
電圧調整
本実施形態において、被加熱素子を通過する電圧（Ｖ）が、電力における調整ΔＷを達成するために、量（ΔＶ）だけ調整され、ここで、
【数２９】
2007522458.tif 000033
である。
【００７２】
Ｖ２（Ｒｓ−１−Ｒ−１）≪ΔＷの場合には、上記の方程式は、
【数３０】
2007522458.tif 000034
として近似させることができ、これからΔＶは、
【数３１】
2007522458.tif 000035
として解くことができる。
【００７３】
本発明の好ましい実施形態において、電流調整を用いて、被制御素子に供給される電力の所望の調整を達成する。
【００７４】
図１は、上記のように、電流調整およびバランスＡＦＣアルゴリズムを用いるＡＦＣ制御システムの図を示す。
【００７５】
具体的には、一定したまたは設定値の電気抵抗値Ｒｓが、ＡＦＣシステムへの入力として提供され、他方で、被制御素子のリアルタイム電気抵抗Ｒが、出力として監視される。入力と出力との間の一貫性を維持するために、それらの間の差が、ＡＦＣシステムによって検出され、エラー信号ｅ（＝Ｒｓ−Ｒ）として用いられ、これによって、灰色の点線によって表わされたフィードバック制御ループの作動が誘発される。
【００７６】
フィードバック制御ループは、一旦作動されると、「制御信号決定」ボックスにおけるバランスＡＦＣアルゴリズムおよび電流調整アルゴリズムに基づいて、制御信号、すなわち被調整電流ＩＡを計算して、被制御素子を操作しかつエラー信号ｅを低減するようにする。
【００７７】
本発明の電気被加熱素子は、２以上のフィラメントを含む反応ベースのガスセンサを含んでもよく、かかるフィラメントの１つが、高温で反応ガスの触媒発熱または吸熱反応を促進することができる触媒表面を含み、もう一方のフィラメントが非反応表面を含んで、周囲温度および他の動作条件における変動を補償するための基準フィラメントとして機能するが、これらは、「熱量測定ガスセンサ（ＣＡＬＯＲＩＭＥＴＲＩＣ  ＧＡＳ  ＳＥＮＳＯＲ）」なる名称の、リッコ（Ｒｉｃｏ）らの米国特許第５，８３４，６２７号明細書で説明されており、その開示が、あらゆる目的のためにその全体において、参照により本明細書に援用されている。
【００７８】
本発明の好ましい実施形態において、ガスセンサは、基準フィラメントが何もない単一フィラメントセンサ素子を含み、リッコ（Ｒｉｃｃｏ）の特許によって開示された二重フィラメントガスセンサとの差異を示す。
【００７９】
本発明のフィラメントベースのガスセンサの一定した抵抗動作は、反応ガス種がない不活性環境においてかかるガスセンサを予熱することによって達成され、かかるフィラメントセンサの基準測定値が提供される。
【００８０】
具体的には、十分に長い期間、不活性環境においてフィラメントセンサを予熱して、安定した加熱効率および周囲温度と同様に、かかるセンサの温度におけるゼロ変化によって定義される定常状態を達成するようにする。
【００８１】
次に、定常状態におけるかかるフィラメントセンサの電気抵抗（Ｒｓ）は、対象の反応ガス種を潜在的に含む反応環境にセンサが配置されたときに維持される一定値または設定値として、決定および設定される。
【００８２】
反応環境におけるフィラメントセンサの一定した抵抗動作のその後の維持は、上記のフィードバック制御システムまたは方法によって達成される。
【００８３】
各ガス検出サイクルについては、フィラメントセンサが予熱されて、その電気抵抗が決定され、次に、フィラメントセンサが、反応ガス種を潜在的に含む環境に曝される。したがって、センサが維持される値である一定した抵抗値Ｒｓは、各検出サイクルに対して再設定され、これによって、かかるセンサにおける任意の変化の頻繁な更新が提供され、長期的なドリフトによって引き起こされる測定誤差が効果的に除去される。
【００８４】
さらに、フィラメントセンサ素子の予熱によって、センサの電気抵抗は設定値に設定され、かかるセンサは、反応ガス種の即時的な検出に対して準備される。
【００８５】
図２は、１００ｓｃｃｍ、２００ｓｃｃｍ、３００ｓｃｃｍおよび４００ｓｃｃｍのＮＦ３フローレートをそれぞれ有する４つのＮＦ３プラズマＯＮ／ＯＦＦサイクルへの連続した暴露中に、図１に示したＡＦＣシステムにより制御されるゼナ（Ｘｅｎａ）５フィラメントセンサによって生成された信号出力を、従来のＰＩＤシステムの制御下の同じゼナ（Ｘｅｎａ）５フィラメントセンサによって生成された信号出力と比較して示す。
【００８６】
テストマニホールドは、１ｓｌｍの一定したアルゴンフローを用いて５Ｔｏｒｒで動作された。プラズマがアルゴンで点火され、次に、ＮＦ３が、１００、２００、３００および４００ｓｃｃｍのフローレートにおいて１分間隔で、交互にターンオンおよびターンオフされた。全プロセスが、同じセンサで２度、すなわち、一度はＰＩＤ制御下で、一度はＡＦＣ制御下で、繰り返された。
【００８７】
図２は、ＡＦＣ信号出力が、ＰＩＤ信号と密に一致することを示すが、他方で、ＡＦＣシステムは、パラメータの経験的な調整を少しも必要としない。さらに、ＡＦＣシステムによって生成された過渡信号応答は、ＰＩＤシステムによって生成されたそれと比較して改善されている。
【００８８】
図３は、３００ｓｃｃｍのフローレートのＮＦ３ガスが存在する状態で、図２のゼナ（Ｘｅｎａ）５ガスセンサによって生成された拡大信号出力を示すが、ＡＦＣシステムの過渡応答は、ＰＩＤシステムのそれより明らかに優れている。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明のフィードバック制御システムおよび方法は、電気被加熱素子の一定した抵抗動作を維持するために、有用に用いられる。例証的な用途において、本発明のフィードバック制御システムおよび方法は、ほとんどまたは全く調整せずにセンサ素子および動作条件の変動に適応可能な方法で、燃焼ベースのガスセンサの一定した抵抗動作を維持するために利用される。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の一実施形態に従い、一定した抵抗動作を維持するために、電気被加熱素子を通過する電流を調整する適応フィードバック制御機構を示す図である。
【図２】様々なフローレート（１００ｓｃｃｍ、２００ｓｃｃｍ、３００ｓｃｃｍおよび４００ｓｃｃｍ）のＮＦ３ガスが存在する状態で、図１の適応フィードバック制御（ＡＦＣ）機構により制御されるゼナ（Ｘｅｎａ）５ガスセンサによって生成された信号出力を、従来のＰＩＤ機構により制御される同じセンサによって生成された信号出力と比較して示す。
【図３】３００ｓｃｃｍのフローレートのＮＦ３ガスが存在する状態で、図２のゼナ（Ｘｅｎａ）５ガスセンサによって生成された拡大信号出力を示す。
【図１】
2007522458.tif 000050
【図２】
2007522458.tif 000051
【図３】
2007522458.tif 000052
【国際調査報告】
2007522458.tif 000053
2007522458.tif 000054