(57)【要約】  電極（５３）で形成したグロー放電ギャップを備えたマイクロプラズマセンサシステム。感知すべき流体はギャップにおいて放電（５６）の近くに送られ得る。放電からの光は、流体の性質を決めるため分光分析装置又はプロセッサに結合され得る。カップリングが放電ギャップの近くに導波管（６３）を備え得る。窓のクリーン性及び電極の電気分離は、放電によって維持され得る。光学分析装置は、検出器（２３）に対する１つ以上の光学チャンネル用のフィルタ（２２）を備え得る。検出器は処理すべき電気信号を出力し得る。電極（５３）はそれら電極間に光導波管（６３）を備える。又は、電極（５３）は、光導波管（６３）のまわりに同心的に形成され、他の電極と環状放電ギャップを形成する。光導波管（６３）は１つ以上の光学繊維であり得る。
2008510143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と；
第１電極に近接し第１電極との間にギャップを形成する第２電極と；
第１端部がギャップに近接した光導波管と；を有し、
導波管を第１電極と第２電極との間に配置して成る、センサシステム。
【請求項２】
前記導波管が少なくとも１つの光学繊維である請求項１記載のセンサシステム。
【請求項３】
前記導波管が複数の光学繊維である請求項２記載のセンサシステム。
【請求項４】
前記導波管が第１電極のまわりに形成された層であり；前記第２電極が導波管のまわりに形成された層である請求項１記載のセンサシステム。
【請求項５】
前記導波管が互いに隣接しかつ第１電極のまわりに層のように配置された複数の光学繊維であり、第２電極が導波管のまわりに形成された層である請求項１記載のセンサシステム。
【請求項６】
前記第１電極及び第２電極が同心のギャップを形成する請求項５記載のセンサシステム。
【請求項７】
前記同心のギャップが環状マイクロ放電ギャップである請求項５記載のセンサシステム。
【請求項８】
前記放電ギャップが１１００℃までの温度で放射グロー放電プラズマを発生できる請求項７記載のセンサシステム。
【請求項９】
ＮＯｘ、Ｏ２、ＮＨ３、ＳＯｘ及びＶＯＣから成る群の内の１つの流体を感知するように構成した請求項１記載のセンサシステム。
【請求項１０】
更に第１電極及び第２電極を少なくとも部分的に包囲する包囲体を有し、該包囲体が入力及び出力を備える請求項１記載のセンサシステム。
【請求項１１】
前記包囲体が少なくとも１つのバッフルを備える請求項１記載のセンサシステム。
【請求項１２】
前記包囲体がステンレス鋼フリットである請求項１０記載のセンサシステム。
【請求項１３】
更にスパークプラグ状のハウジングを有し、該ハウジングが第１電極、第２電極及び光導波管を少なくとも部分的に収容する請求項１記載のセンサシステム。
【請求項１４】
前記第１電極及び第２電極が自己支持電極である請求項１３記載のセンサシステム。
【請求項１５】
前記ハウジングが第１電極及び第２電極を保持する絶縁体を備える請求項１４記載のセンサシステム。
【請求項１６】
前記包囲体が粒子サプレッサを備える請求項１０記載のセンサシステム。
【請求項１７】
前記ギャップが放電ギャップである請求項２記載のセンサシステム。
【請求項１８】
前記第１電極は、煤生成を受け易く、放電ギャップによってクリーンに保たれる請求項１７記載のセンサシステム。
【請求項１９】
前記第１電極が希ガスなしでクリーンに保たれる請求項１８記載のセンサシステム。
【請求項２０】
前記ギャップが、放電を発生でき、光導波管の第１端部の光学面をクリーンに保つ請求項１記載のセンサシステム。
【請求項２１】
前記光導波管の第１端部の光学面が希ガスなしでクリーンに保たれる請求項２０記載のセンサシステム。
【請求項２２】
更に光導波管の第２端部近くに少なくとも１つのフィルタを有する請求項１７記載のセンサシステム。
【請求項２３】
前記少なくとも１つのフィルタが波長帯域のバンドパスフィルタである請求項２２記載のセンサシステム。
【請求項２４】
更にフィルタに接続した光強度表示器を有する請求項２３記載のセンサシステム。
【請求項２５】
更に第１電極及び第２電極を少なくとも部分的に包囲する包囲体を有する請求項２４記載のセンサシステム。
【請求項２６】
更に包囲体に接続した粒状物質フィルタを有する請求項２５記載のセンサシステム。
【請求項２７】
更に粒状物質フィルタ、第１電極、第２電極及び光導波管の第１端部を少なくとも部分的に収容するスパークプラグ状パッケージを有する請求項２６記載のセンサシステム。
【請求項２８】
前記スパークプラグ状パッケージが排気系に接続する請求項２７記載のセンサシステム。
【請求項２９】
光導波管と；
光導波管のまわりに同心的に形成された第１電極と；
第１電極の端部に近接し第１電極の同心の端部とギャップを形成する第２電極と；
を有して成るセンサシステム。
【請求項３０】
前記導波管が光学繊維である請求項３０記載のセンサシステム。
【請求項３１】
前記光学繊維が、光伝送コアと；コアのまわりに同心に形成したクラッドと；を備える請求項３０記載のセンサシステム。
【請求項３２】
前記ギャップが環状放電ギャップである請求項３１記載のセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、Ulrichらが２００３年１２月３１日に、発明名称“マイクロプラズマセンサシステム”で出願した継続中の米国非仮出願第１０／７４９，８６３号の一部継続出願としての優先権を主張し、この米国出願は参照文献として本明細書に結合する。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（plasma structure）に関し、より詳細には、流体成分の特定及び定量化用のセンサとしてのこの構造の応用に関する。用語“流体”は、種（species）として気体及び液体を含む一般的用語（generic term）として用いる。例えば、空気、ガス、水及び油は、流体である。
【背景技術】
【０００２】
流体分析装置に関する構造および方法の特長は、Ulrich Bonneらに対して２００２年５月２８日に、発明名称“感度を増大させる位相ヒータを備えたガスセンサ”で発行された米国特許６，３９３，８９４号に開示され、この米国特許は参照文献として本明細書に結合する。関連技術の流体成分分析装置は、選択性及び感知性であるが、未知の成分との試料混合物の１つ以上の成分を特定する能力に欠け、一般的には嵩張りしかも高価である。技術の状態結合分析装置ＧＣ−ＧＣ及びＧＣ−ＭＳ（ガスクロマトグラフ−質量分析計）では、選択性、感知性及び洗練性を望ましく結合することを試みるが、なお嵩張り、高価であり、速度が遅く、またバッテリ給電型応用に適さない。ＧＣ−ＡＥＤ（ガスクロマトグラフ−原子発光検出器）では、ＡＥＤは単独で１００ワット以上を使用し、水冷を使用し、１０ＭＨｚ以上のマイクロ波放電を使用し、しかも高価である。
【０００３】
マイクロガスクロマトグラフィ（μＧＣ）検出器は、特定の成分に対して迅速な応答性（＜１ｍｓ）、感知性をもちしかも選択性がなく、構造が簡単で、低価格で、コンパクトでありかつまた低電力（〜ｍＷ）である必要がある。今日利用できる又は思いつくμＧＣ検出器は、熱伝導率センサのように極めて感知性が悪く（≧アナライトの１０〜１００ｐｐｍ）、蛍光及び電子捕捉検出器のように特定の成分に対してあまりにも選択性が高く、多くのＧＣ検出器の場合に２００３年においては通常の値段が約＄６００、＄３０００及びそれより以上であるように相対的に高価格であり、分光分析（spectral analysis）を介してモニタしたマイクロ放電装置（ＭＤＤ）のように光学素子の汚れによるドリフトを受け易く、或いは１００Ｗ以上消費するＡＥＤ（原子発光検出器）のように相対的に高電力である。
【０００４】
関連技術のＮＯｘ（及び更にはＮＨ３、ＳＯｘ、ＣＯｘ、Ｏ２、ＶＯＣなどの）センサでは（外部及び内部）燃焼過程からこの物質の放出をモニタ及び／調節するが、管理されない据置又は自動車燃焼システムセンサに用いるには適さない。これらのセンサは、非常に高価であり（化学ルミネセンス（ＣＬ）及び多層型ＺｒＯ２センサ）、非常に嵩張り（化学ルミネセンス（ＣＬ）及び検出限度が５ｐｐｍ近くである場合にはＩＲ吸収）、非常に壊れ易く（ＣＬ及びＩＲロングパスセル）、或いは十分な安定性がなく（ＳｎＯ２／ＷＯ２及び湿式電気化学的センサ）、また特に自動車に応用するにはコストが掛かりすぎる。光学センサのその他の公知の問題点は、光学系をクリーンに保つのに必要なメンテナンスコストが高く、また過酷な燃焼排気状態に晒されるあらゆる電動型センタに対する電気接点の寿命が短いことである。
【０００５】
グロー放電放射の分光分析に基づく関連技術の光学ガスセンサ（ＮＯ、ＣＯ、ＮＨ３、ＳＯ２、ＣＨ４、．．．．、ＣＷＡ）は、頑丈で、低価格でコンパクトな多チャンネル分析装置ではないので、コンパクトで、低価格で、広波長範囲のパッケージ型システムには適さない。それらセンサはあまりにも高価格でかつ嵩張り（例えば、ＦＴＩＲ又は従来の分散分光計、或いは新しいコンパクトなパーム・トップ・サイズの分光計）、あまりにも壊れ易く（分光計）、十分に伝導性でない（狭いバンドパスフィルタは帯域の広がるのを避けるため光の相当に良好なコリメーションを必要とし、即ち低光伝導をもたらす低アパーチャ動作を必要とする）か、或いは融通性が十分でない（個々の狭いバンドパスフィルタでのチャンネル数が少ない）。また、これら光学センサの問題点は、光学系をクリーンに維持するようなメンテナンスコストが高いことにある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、複数の電極で形成した放電ギャップを備えたセンサシステムにある。感知すべき流体は、ギャップにおいて放電の近くに入る。光学カップリングは放電ギャップに近接した導波管を含む。光学カップリング及び１つ以上の電極のクリーンさは放電によって維持する。導波管にはプロセッサを結合する。電極及び導波管は種々の形態及び構成を採る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本光学スペクトル／分子放射に基く本ＮＯ（及びその他の化学物質）センサシステムは低電力であり、低質量であり、そしてコンパクトである（各要素の放射グロー放電プラズマは直径１０〜１００μである）。本システムのプラズマは約１１００℃で動作する。また、本システムは低コストであり、頑丈であり（精密な光学アライメントは必要でない）、そして種々の種類の安定な動作環境を維持する。適切な空気ろ過で、センサシステムの動作は、高温プラズマセルフクリーニング、信号プロセッシング及び有利な低コストでコンパクトでしかも頑丈なパッケージングに加えて、排気ガス成分測定の場合のような希ガスパージ操作なしで行われる。
【０００８】
ＭＤＤは、光学伝送表面をクリーニングするため及びＭＤＤ検出器に応用する際の電極の分離を維持するために用いられる。即ち、同一プラズマ放電は、縮合可能なタール及び炭素煤のようなあらゆる燃焼生成堆積物をプラズマエッチングすることで観察窓をクリーンに保つのに用いる。同一又は同様なグロー放電はクリーンさ及び（より重要には）煤センサの煤センサ電極の必要な電気的分離を維持する。スペクトル放射及び煤センサを１つのパッケージに一緒に配置できる。言い換えれば、両立できそして煤センサシステムと容易に一体化できる。
【０００９】
シリカチップは省略でき、そして２つの自立電極間で放電が作用する。同一プラズマ放電は非接地型マイクロ放電電極の必要な電気的絶縁を維持し（図２の一例の電極先端の拡大図）、又は測定及び自己チェックサイクルにおいて休止を生じさせたりしなかったりする周期的な電力クリーニングサイクルでそのような絶縁を達成できる。殆ど電力なしで、衝撃子“バッフル”を横切って又はサイクロン要素の“フィン”間の静電界は、比較的小さな粒子の捕捉及び保持を改善する。ルーバ（並びにサイクロニック及び衝撃子粒子分離器）を備えたハウジングはセンサシステムフリットより価格が低い。サイクロン及び衝撃子プレートを介しての結合した粒子の除去は低いΔｐ対試料ガス流れで生じる（図１４）。
【００１０】
光学繊維の端部とフォトダイオードとの間の洗練された位置決めは、選択したバンドパスフィルタの幅で要求されたような小さな角度の光学繊維光成分を検出するのに用いる。本システムは、化学ルミネセンスに基くセンサシステムよりコンパクトで、洗練されておりしかも低コストである。本システムは、金属酸化物又は触媒に基く従来の光学センサシステムより安定しており、またＺｒＯ２に基くセンサシステムの場合より消費エネルギが少ない。本システムは、他のセンサシステムの場合より温度変化に対する許容度が大きく、そしてＺｒＯ２、金属酸化物又は触媒に基くセンサシステムの場合より製造し易い。
【００１１】
本システムは、従来のＭＤＤに基くＮＯｘセンサシステムより低コストである。本システムは、ＩＲにおけるＮＯスペクトル放射を観察できる。また本システムは、源として１つのＭＤＤをまた検出器として別のＭＤＤを同一平面に設計できる。水の縮合に関しては剥離で除去するか又は好ましくはセンサ加熱により無害化する。別のセンサは、コスト及び総体嵩張りを低減しかつプラズマクリーニング相乗作用を組込むためにシステムの同一ハウジング内にパッケージされる。ＭＤＤ放射分光分析は、走査型の狭バンドパスＭＥＭＳファブリ・ペロ（ＦＰ）フィルタを当てにし、即ち該フィルタはコンパクトで、万能であり（多数のチャンネルを備え）、光強度が非常に有効であり（多数（１００〜１０００）のＭＤＤ我並列に作動する場合には鏡・エタロン反射率は高いが）、メンテナンスに手間がかからない。というのはＦＰフィルタは密閉した環境内で作動し、試料ガスに晒されるその他の光学表面はＭＤＤによって自己クリーニングされるからである。
【００１２】
マイクロ放電装置（ＭＤＤ）１１は、それぞれ図１、図４及び図６のシステム１０、２０、３０に示す。装置１１は１つの電極３１及び別の電極３２を有し、これらの電極の端部は互いに対向して、マイクログロー放電１８を生成するギャップを形成する。このギャップはガラス管即ち中空パイプ３３で包囲される。装置１１は煤電極を備え、煤の生成なしに保たれる。装置１１のグローは図７のグラフに示すようなＵＶ／可視スペクトルをもつ。このグラフは７００Ｔｏｏｒの環境でＮ２に２２．９ｐｐｍのＮＯを用いてグロー放電のスペクトル放射（emission）における相対強度対波長（ｎｍ）の関係を示す。今日まで、このようなマイクロ放電の特性を考察するのには希ガス（Ｎ２、Ａｒ、Ｈｅ）を用いてきた。
【００１３】
グロー放電装置１１は図１に示すようにシステム１０の一部である。このシステムは図１、図１１、図１２及び図１３（図３と同様な）に略示する構成ブロックから成る。システム１０は試料ガスフィルタ１３を備え、この試料ガスフィルタ１３は排気管１４の開口１５に接続する。試料ガスフィルタ１３はＰＭ（粒状物質）を除去し、排気１７からの排気試料１６を縮合できる。そして試料１６はガラス管３３に位置したグロー放電１８の付近に流入し、試料１６の組成に応じて放電発光に影響を及ぼす。放電１８からの光２７は繊維２１を通ってフィルタ２２へ伝播し、そして検出器２３で電気信号に変換される。こうして得られた電気信号は増幅器及びマイクロプロセッサ２４へ送られて処理され、試料１６の組成を表す出力信号となる。
【００１４】
グロー放電１８は直径約１０〜５００ミクロンである。放電は、約１〜１５ＭΩの抵抗１９に直列の約１００〜４００ボルトのＡＣ／ＤＣ電源でよって開始し、維持し、図７に示すスペクトルバンド放射を生じる。電源２８は抵抗１９を介して金属電極３１にまた金属電極３２に接続する。グロー放電１８は、電源２８からの電圧の印加により電極３１、３２の間で開始し、維持する。電極３１、３２は、例えばＭｇＯのような絶縁性材料４６で被覆される。
【００１５】
光学繊維２１は、光学インターフェース即ち窓２５でグロー放電装置１１に接続され、そして２４７．２又は２５８．８±１．４ｎｍのＮＯ用フィルタ２２、３３６．９又は３５７．５±２ｎｍの基準Ｎ２用フィルタ、必要に応じてＯ２、ＣＨ、Ｃ２、ＣＯ、ＳＯ２用の他のバンドパスフィルタ、並びにそれぞれ２５１．２±２．５及び３６２．３±４ｎｍのオフＮＯ及びＮ２用フィルタと共に使用する。光学フィルタ２２は約３ｎｍ（〜２．８ｎｍのＮＯ発光半帯域幅（ＨＢＷ）に整合する）〜２０ｎｍの狭いバンドパス半値幅をもつ光学繊維２１の平坦な端部に設けられる。また図１、図１１及び図１２に示すように、フィルタ２２の近くにはフォト検出器２３（ＵＶに感応するＳｉダイオード、Ｓｉフォトトランジスタ）を設ける。フォト検出器２３の出力は増幅器及び信号プロセッサ２４に送られ、増幅器及び信号プロセッサ２４はその出力３５にｐｐｍ表示信号で、試料１６におけるＮＯ、ＶＯＣ、ＣＯ、ＳＯｘなどについての関連信号を出力する。
【００１６】
動作において、装置１１は図１に示すように、マイクロ放電１８を観察繊維２１の側に近接して成長させかつ観察繊維２１の側に当らせるように構成する。マイルドな放電１８のスパッタ作用は、燃焼排気ガスが光学表面に接触して短い時間に光学表面を暗くさせる傾向があるにもかかわらず、図１の窓２５の光学透過性を高いレベルに維持する。しかし、窓２５のクリーニング作用は放電１８のプラズマによる。また、電極もクリーンに保たれる。
【００１７】
図１におけるシステム１０の重要な要素及び本明細書で説明するその他のシステムとしては、一端部にフィルタ２３を備え、他端部がグロー放電１８と対向した光学繊維ケーブル２１、及び１つ又は複数のＰＭフィルタ１３を含む。これら繊維及びフィルタの材料としては、低価格で、耐熱性（試料ガス温度を冷却する、中間のＰＭフィルタ１３では高い必要性はない）で、バンドパスフィルタ２２の角度感度を最小にするため高屈折率のものを含み、幾つかのフィルタの例では、繊維軸線に平行なものからの入射光線のピーク伝送波長λ０対偏向角ψの関係で次のように表される。
λψ＝λ０（ｎｅ２−ｓｉｎ２ψ）０．５／ｎｅ
λψにおける屈折率ｎのこの影響は、図８の表に、λ０＝２５０ｎｍ、ψ＝１０°及び２０°の場合のデータで表す。
【００１８】
挙げた材料の最高屈折率、即ち２５０ｎｍでｎ＝１．８４５のサファイアではなお、ψ＝２０°の場合約５ｎｍ変位するが、ψ＝１０°場合（ψ≦１０°となるように窓２５からある距離に繊維２１を位置決めする図２及び図１４参照）には単に約１．５ｎｍすぎず、これは１つのアプローチである。別のアプローチは、２３ｎｍの半値幅をもち、λ０＝２４７．２±１２ｎｍの、ＮＯの全ての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き、このアプローチの欠点（down-side）は、ＮＯ感度のほぼ５倍の損失及び同一帯域においてスペクトル放射する他のガスに対するクロス感度の大きな確率である。このアプローチを選択した場合、フィルタの製造可能性、価格並びに角度及び温度変動によるシフトは殆ど重要でなくなる。
【００１９】
温度の影響に関しては、λ０がここで提案したように被覆材料の熱膨張による温度の上昇（及び温度の降下）で比較的な長い波長にシフトする傾向があることに基く。
λＴ＝λ０＋αΔＴ、  α〜０．０１−０．２ｎｍ／℃
これは、温度が単に１００℃上昇すると、λ０を１０ｎｍシフトし、上記の情報が正しい場合にはα＝０．１ｎｍ／℃である。α’〜１０−６−１０−５／℃又はα〜２・１０−４ｎｍ−２・１０−３ｎｍ／℃の値が期待される。
【００２０】
比較的限定した許容角度をもち、関連した干渉フィルタのバンドパス半値幅を小さく保つことのできる単一モード光学繊維について可能である最大直径ｄを計算するのが有用である。単一モード光学繊維動作の場合、量Ｖ＜２．４０５であり、ここでＶ＝（πｄ／λ）｛ｎ（ｃｏｒｅ）２−ｎ（ｃｌａｄ）２）｝０。５であり、従って、ｄ＜２．４０５・λ・｛ｎ（ｃｏｒｅ）２−ｎ（ｃｌａｄ）２）｝０。５であり、サファイア（ｎ＝１．６）光学繊維に基く例では、動作は３００ｎｍ付近であり、又Δｎ〜０．３はｄ＜６７３ｎｍである必要がある。単一モード繊維では、開口数（＝繊維コアで光が総体的に内部反射する円錐の半角である最大許容角度の正弦値）ＮＡは単一モード繊維の場合には０．１５であり、また多モード繊維の場合には０．３である。
ＮＡ＝ｓｉｎ（ｑｍａｘ）＝（ｎ１２−ｎ２２）０。５
【００２１】
製造コストは、本明細書で前に述べたように安価な部品及び組立てであるので、低い。これらの部品は、図３に示すように、スパークプラグ状包囲パッケージ４４におけるプラズマをサポートするために管３３（ガラス、石英、サファイア）内に一本の接地した線及び一本の絶縁した線、干渉フィルタ２２を設けた光学繊維２１、２つ乃至四つのフォトダイオード２３、ＤＣ−ＤＣ変換機（１００−４００Ｖ）を備えた電源２８、フォトダイオード２３用の増幅器２４、信号処理及び論理機能用のマイクロプロセッサ２４、ＰＭフィルタ１３及び試料ガス流路を含む。また、コストを低減するために自動化組立及び校正も行う。本マイクロプラズマセンサシステム１０を製作においてスクラップは殆ど出ない。
【００２２】
ＭＤＤを介してのＮＯｘ感知は他の仕方で、ＭＤＤに通じる１つのマイクロチャンネルにおける希ガスパージによって行うことができるが、このパージなしでは行われず、ＭＤＤに試料ガスだけが向けられる。図１の感知システムの特徴は、希パージガスなしでＭＤＤを作動すること、窓をクリーニングしかつＭＤＤ検出器応用における電極絶縁を維持するためにＭＤＤを用いること、ＩＲにおけるスペクトル放射を観察しないこと、共面（co-planar）ＭＤＤを検出器のような別のソースＭＤＤとして構成すること、及び１つのパッケージにスペクトル放射及び例えば煤センサを一緒に配置することを含む。光学繊維に対向したＭＤＤ側における光学表面３３、即ち、図１、図２、図４及び図６の窓２５をセルフクリーニングする。希ガスパージクリーニングは必要でない。
【００２３】
センサシステム１０は、希ガスパージなしで排気ガス成分を測定するためにプラズマ放電装置１１を使用すること、縮合可能なタール及び炭素−煤のようなあらゆる燃焼生成堆積物をプラズマエッチングすることにより観察窓をクリーンに保つためにプラズマ放電１８を使用すること、非接地型マイクロ放電電極（図２の一例の電極チップの拡大図参照）の必要な電気絶縁を維持するためにプラズマ放電を使用すること、測定及び自己チェックサイクルにおいて休止させたりさせなかったりする、付加的な周期的電力クリーニングサイクルによって非接地電極の必要に電気絶縁を維持するためにプラズマ放電を使用すること、バンドパスフィルタにおける温度誘導波長シフトを最小化するため、煤感知の後でしかもスペクトルＭＤＤ感知の前に試料ガスを冷却しきれいにするために関連したＰＭフィルタ１３を使用すること、選んだバンドパスフィルタ幅で必要な小さな角度の光学繊維光成分だけを検知するために光学繊維の端部とフォトダイオードとの間のきびきびした位置決めを使用すること、並びに煤センサ電極（図１〜図３に示してない）のクリーンさ及び（更に重要には）必要な電気絶縁を維持するために同一又は同様なグロー放電１８を使用することを含む。
【００２４】
アートの偽似状態ＰＭフィルタに関する付加的な構造上の特徴は、水の縮合についての課題（センサの加熱による除去又は無害化）を解決し、またコスト、総体嵩及びプラズマクリーニング相乗を低減するために同一ハウジング内に煤センサ電極をパッケージングする機構を含む。
【００２５】
グロー放電装置１１の別の構成は図４に示すシステム２０である。図５に更に詳しく示す走査ファブリ・ペロフィルタ２６は、所望の応用に望ましい帯域幅及び波長範囲に適合される。ＰＭろ過ガス１６はグロー放電装置１１に入り、そしてグロー放電１８の付近に入る。グロー放電１８はガラス毛管又は管３３で包囲される。放電１８は、電極３１、３２に接続した電源２８からの約１００〜４００ボルトの電圧によって開始され維持され、放電はこれら電極から発生する。光管３４又は他の光学伝送機構は、窓２５でガラス管３３に光学的に接続し、放電の光２７を非発散ファブリ・ペロ型の狭バンドパス走査フィルタ２６に伝送する。フィルタ２６は、光２７の分光分析を行う。
【００２６】
フィルタ２６は、ＭＤＤ発光分析用のファブリ・ぺロ（ＦＰ; Fabry-Perot）に基くＭＥＭＳ分光計である。光管３４はフィルタ２６のパイレックス又は石英ガラス窓３６に光学的に結合される。窓３６はＵＶブロッキングフィルタである。図５に示すように、光２７は窓３６を介して約５ミル（２５ミクロン）の高い空洞３７を備えたＦＰ空洞内に伝播し、空洞３７は、通過すべき又はろ波すべき特に重要な周波数に空洞３７を調整するため上下に動くエタロン３８を備える。エタロン３８の動きは制御信号線４５で行われる。この調整は通過させるべき又は阻止させるべき光２７の波長を決める。空洞３７にはサファイアベース３８を備え、また窓３６は、空洞内にスペースを形成するように空洞３７の周囲のまわりに形成した周囲密封シール３９と、空洞を周囲から密封するため窓３６とサファイアベース３８との間のシールとを備える。
【００２７】
空洞３７を通る光２７の部分は検出器４１のアレイによって感知される。検出器４１は線形又は別の種類のアレイの形態であり、或いはＡｌＧａＮ／ＧａＮ又はその他の適切な又は作動可能材料から成る。検出器４１は光信号２７を電気信号に変換し、この電気信号は読出し集積回路４２に入力する。回路４２は信号を分析して試料ガス１６に関する情報を提供するプロセッサを備える。パッケージ４３は、フィルタ２６の少なくとも一部分を全体にわたって包囲するために利用される。回路４２の出力は光２７の分光分析を提供する。この分析は、グロー放電１８を通る試料ガス１６の組成を暗示する。
【００２８】
フィルタ２６の動作中に、約１ｎｍ〜３ｎｍの半値幅のただひとつ（及び並列に多くない）のタイン（tine）（＝ファブリ・ペロコームフィルタの伝送ピーク）が走査し、他のものは走査領域の外側にあるように構成されることを想像できる。図９の表は、ガス感知用のＦＰに基く波長変調のパラメータを示す。ＭＤＤのこの応用及びその他の応用（ＣＯ及びＯ２感知）を行うのに必要なＦＰフィルタ設計パラメータの幾つかの例を示す。図９に示すパラメータは、その他の多くのパラメータのある中で、感知したガス、バンドセンタ、タイン間隔、線幅、ν／Δν、ＦＰ間隔、ディザ、バンドリミット及び精細さを含む。
【００２９】
空洞３７のＦＰ間隔層３８は所与量ディザされるので、Δλ線幅バンドパスは、
ｃｍ−１又はｎｍの±タイン間隔でバンドセンタのまわりで或いはｎｍの図示バンドリミット間で走査する。図９の表の最後列における計算したファブリ・ペロバンド幅及びスペクトル位置（及びＡｌＧａＮ検出器アレイの応答を含む）は、相応したエタロンミラー間隔で、それぞれ最小、中央及び最大波長位置について図１０に示す。図１０にはＭＥＭＳ  ＦＰフィルタの波長走査に対する伝送と波長との関係の割合を示す。波長位置は図１０の計算例では、約２９０〜３６０ｎｍである、ＡｌＧａＮ検出器の利用可能な波長感度範囲によって制限される。
【００３０】
図４のシステム２０の特徴は、以下の測定性能（λ及び±Δλ／２）：ＮＯでは２４７．２又は２５８．８±１．４ｎｍ、基準Ｎ２では３３６．９又は３５７．５±２ｎｍ、及びオフＮＯ及びＮ２ではそれぞれ２５１．２±２．５ｎｍ及び３６２．３±４ｎｍを達成するのに走査ＦＰフィルタ及び検出器２６が必要である代表的な発光バンドとして取られる。達成可能なＦＰフィルタ２６の細かさにおけるｆ数の既知の影響を考えるが、ここではこれは更に抑制する。しかし、ＦＰフィルタ２６は、波長バンドパスの温度に依存するドリフトには殆ど感応しないように構成するが、放電装置１１の温度範囲レーティングによって限定される。
【００３１】
センサシステム２０は次の事項：非分散（ファブリ・ペロに基く）分光分析（分散分光分析以外の）又は干渉フィルタを用いた、未知のガス混合物試料のスペクトル放射分析によるガス感知用のプラズママイクロ放電装置（ＭＤＤ）、ＭＥＭＳに基くＦＰフィルタ構成を介して行われるファブリ・ペロ（ＦＰ）波長走査、高速ガスクロマトグラフィピーク（ＧＣ）分析装置として及び独立してＮＯ、Ｏ２、ＳＯ２、．．．．用の独立型ガスセンサとして単一ユニットでの上記組立体（ＭＤＤ及びＦＰに基くスペクトルフィルタ）のを新たな使用、ＧＣが偽似ポジティブの確率（Ｐｆｐ）の低いμＧＣ又はμＧＣ−μＧＣ又はμＧＣ−μＧＣ−ＭＤＤガス混合物分析装置である、上記の組立体（ＭＤＤ＋ＦＰ＋ＧＣ）の新たな使用、及び放電が窓２５を自己クリーニングしそして希ガスパージなしで作動するＭＤＤの構成に基く。
【００３２】
システム１０、２０の成功した構成により、この放電装置１１及び検出器をＰＨＡＳＥＤで表わしたＧＣ−ＣＧ−ＭＤＤマイクロ分析装置の一部として用いる場合に低い偽似ポジティブの確率を達成できる。感知システム１０、２０は、従来提案された排気ガス組成感知システムに勝る次のように利点がある。本システムは、化学ルミネセンスに基くセンサシステムよりもコンパクトであり、丈夫であり、かつまた低価格である。本システムは、金属・酸化物又は触媒に基く従来の光学センサより安定している。本システムは、ＺｒＯ２に基くＮＯ及びＯ２センサシステムより消費エネルギが少なく、またその他のＺｒＯ２−ＮＯ／Ｏ２センサシステムより温度変化の許容性が高い。また本システムは、多層ＺｒＯ２、金属酸化物又は触媒に基くセンサシステムの場合より製造し易い。また本システムは融通性があり、煤センサシステムと容易に一体化できる。
【００３３】
図６のシステム３０は、システム１０、２０の場合と同様に、放電ギャップ装置１１を備えるが、光２７は、試料ガス１６についての情報を明らかにするため、光管３４を介して放電１８の放射を分析する分散分光計４７へ伝送される。光２７は、光２７の種々の波長をＣＣＤ光検出アレイ４９のそれぞれ種々のピクセルへ反射させる光学格子４８へ伝送される。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に送られる。
【００３４】
１つのセンサシステムが、図１１、図１２、図１３、図１４及び図１４Ａに示され、他のシステムが図１、図２及び図６に示される。図１１のＭＤＤ（マイクロ放電装置）６０は光放射（optical emission）５６を発生し、この光放射５６は、複数の電極及び１つ又は複数の光導波管を少なくとも部分的に収容する包囲体即ちハウジングと考えられるスクリーン即ちステンレスフリット５５によって排気ガスの粒状物質から保護されるので、〜２×２ｍｍのシリカチップで支持した電極５３のまわりのガス状環境の特徴である。排気ガス６５は乱流であり、そして１１００℃（２０１２°Ｆ）までの温度に達する。ＭＤＤ６０は、図１３に示すもののように、スパークプラグ型のパッケージ、即ちハウジング５７に収容される。ハウジング５７は、例えばＭ１４のねじ山６１をもつ嵌合部材５８にねじ込まれる。或いは、嵌合部材５８は排気管５９又は試験すべき流体を受ける他の固定部材に形成又は溶着される。パッケージ即ちハウジング５７はナットやボルトのような六角嵌合部材を備えてもよく、それでハウジングおよびパッケージはレンチのように工具でねじ込んだり外したりできる。
【００３５】
光は、放電５６から繊維６３を通って光学フィルタ２２へ伝送される。繊維６３は、外径約２０〜２００ミクロンのシリカ繊維であり得る。フィルタ２２は約２〜５ｎｍのデルタ波長をもち得る。ろ波した光は、それぞれ１つのフィルタ対検出器に基いて、フォトダイオード、フォトトランジスタ即ち一般的に“光検出器”２３で検出するように処理する。電導体は検出器２３をコネクタ６４の端子１１５に接続する。端子１１５はプロセッサ２４（図１１及び図１２には示されてないが、図１に示すような）に接続する。
【００３６】
故障モードは、シリカチップ５４を通る又はそのまわりの電導線６２とスパークプラグ状パッケージ５７に埋め込んだ電導線６２との間の接触問題によるものであり得る。代わりに、単一スパークプラグ状ハウジングパッケージ５７でもよく、その場合には一対の自己支持放電電極５３を備え、或いは電導線６２の端部が電極を形成し、放電５６は光学繊維６３の入口表面６４をクリーンに維持し、そしてＭＤＤシリカチップ５４なしでよい。電極もクリーンに維持される。表面６４及び電極のこのクリーニングは希ガスの存在なしに生じる。電導線６２は接続体６４から電極５３までのびる。導線６２及び導波管６３の長さは約１０〜４０ｃｍである。
【００３７】
電極５３と導線６２との接触問題を避けるために、図１２には別のセンサパッケージ構造を示し、シリカチップ５４は削除され、電導線６２はスパークプラグ状ハウジング５７を通り、そしてセンサの排気ガス側内にのびる。導線６２は、それらを支持するシリカチップ５４を必要とせずにそれらの位置及び形状を保持するように十分に強い。パッケージ、ハウジング即ち構造体５７内の導線６２及び導波管６３のまわりにアルミナ絶縁体６９を設ける。堆積薄膜金属物質で作られた別個の放電電極５３は導線６２の端部に設けられ、導線は代わりの電極５３とみなされる。これらの電極間の形状及びスペースは、自己支持スパークプラグ状電極と違わずに、典型的な電極形状及び１０〜３０ミクロンの間隔とするために機械的切断、整形及び曲げによって形成される。シリカチップ５４を形成し、シリカチップに導線６２を貫通し、接点金属により電極の（導線６２の端部）を堆積し、チップをダイシングし、更にはスパークプラグ状ハウジング５７を通しての位置決め及び固着を行うコストを削減できる。導線の端部は電極５３又は６２としてみなされる。
【００３８】
シリカチップ５４と光学繊維６３との間に理想的及びクリーンでない光学インターフェースによって生じる潜在的な実行問題を除去でき、そしてシリカチップ５４と光学繊維６３との間のインターフェースを介する伝送損失を低減できる。
【００３９】
動作中、首尾よいシステム構成により、シリカ繊維６３、チップ及び／又は窓のもののような観察光学表面の側近にマイクロ放電５６が生じ、この光学表面側に当たる。マイルドな放電スパッタ作用によって、燃焼排気ガスには、タール及び煤含有物質の堆積のため短時間で燃焼排気ガスの接触する光学表面を暗くさせる既知の傾向があるにもかかわらず、光学伝送表面の光学伝送を高レベルに維持する。この機能は放電プラズマのクリーニング作用である。過度の放電作用はグロー放電作用は、グロー放電に近接した表面の物質をエッチングするが、不十分な放電作用（即ちパワー）は堆積を生じさせる。
【００４０】
毛管電極放電（ＣＥＤ）方法は大気圧プラズマを発生し、そしてガラス基板上の有機物質の除去のような表面クリーニングするのに用いられる。点弧及び放電ガスとしてヘリウム又は水素（Ｈｅ又はＨ２）を用い、そして反応性ガスとして酸素（Ｏ２）を添加する。大気圧の下でプラズマを発生するのに正弦波電圧（２０ｋＨｚ〜２０ＧＨｚ）の低周波ＡＣ電源を用いる。電極は厚さ１０ミクロンの毛管誘電体で構成し、電極の直径は約３００ミクロンである。毛管電極と基板（接地）との間の数ｍｍの間隔に発生したＨｅ／Ｏ２プラズマは一様で非常に安定である。毛管電極の放電を特徴付けるのに分光分析法及び放電のＩ−Ｖ特性を用いる。フォトレジストのような有機物質を除去するのに、Ｈｅ／Ｏ２プラズマに加えて、ＣＦ４、Ａｒ、及びＮ２のようなＨｅ添加ガスの効果と同様な他のガスの効果を用いる。Ｈｅ／Ｏ２プラズマに曝した後にガラスにおける１０００Å／分以上の有機物質のクリーニング速度を観察する。Ｘ線光電子分光法で測定すると、有機物質及び残りの残留物の表面化学組成物のクリーニング速度におけるＨｅ／Ｏ２の効果に加えて種々のガス混合物の幾つかの効果がある。
【００４１】
図１４は、ハウジング即ち包囲体６６を有するセンサシステム８０を示し、ハウジング即ち包囲体６６は粒子抑制構造体６７を備え、粒子抑制構造体６７はルーバ、試料ガス入出力、及びスワール及びサイクロン分離装置を備える。ハウジング即ち包囲体６６は電極及び１つ又は複数の光導波管を少なくとも部分的に収容する。粒子抑制構造体６７は、流体６５の粒子の分離を助けるインパクタプレート６８を備える。構造体６７を通る排気６５の流れは頭部圧力及びベンチュリ作用で生じ、そして流体即ち排気ガス６５の流れに挿置した包囲体又は構造体の頂部に０．３ｍｍの開口を備える包囲体６６の構成要素で補助される。また、流体即ち排気ガス６５は管即ち搬送体５９においてはどちらかと言えば乱流であり、また、構造体６７はセンサシステム８０で正確に読取るためにマイクロ放電５６を壊すことなしにマイクロ放電５６に対して排気６５をサンプリングする仕方を提供する。
【００４２】
電極５３はマイクロ放電５６の基礎を成す。感知される流体６５に対する放電５６の反応は光学繊維６３によって、電気信号に変換する光検出器に光学的に伝送される。信号は、流体をコンピュータで処理し分析するためにデジタル化される。放電５６から伝送された光はＩＲ、可視及び／又はＵＶであり得る。導線又は電極６２及び繊維６３は、セラミック絶縁体６９を備えたハウジング５７内に収容し、構造的に支持する。電極６２は寸法０．３ｍｍのコネクタピン７１に取り付ける。放電５６は、希ガスによるパージングの必要なしに、電極及び導波管の入力表面をクリーンに保つ。システム８０に組合さったフィルタ、検出器、電源及びプロセッサはシステム６０、７０のものと同様である。
【００４３】
図１４Ａには、センサシステム８０と同じ種類の構造及び電気的部品を備えたセンサ８１を示し、しかしセンサ８１のハウジングは幾分異なる。構造体８２は、側部からの流体６５の入力を備え、多数のインパクタプレートを通りマイクロ放電５６の領域へ流体は前進し、そしてハウジング又は構造体８２の端部又は頂部を通って出でいく。一方、構造体８２はそれの頂部に流体の入力及び出力の両方を備えるように構成される。システム６０、７０、８０、８１は、排気ガス６５以外の他のガスを感知するのに用いる。
【００４４】
丈夫なＭＤＤセンサシステムが設けられる。図１６、図１７、図１８Ａ及び図１８Ｂは、図１４及び図１４Ａに示すものを拡げたセンサ形態を示す。周囲のＭＤＤの電極６２のギャップ８３の好ましい範囲は３０〜７０ミクロンである。図１５は図１４に示す電極ギャップ８３の領域を詳細に示す。放電場所における２つの電極６２の形状により、２つの電極間の間隔は所望の範囲内にでき、その後、厚い光学繊維６３のクラッドによって間隔を保つ。しかし、電極６２の先端部における“フック（hook）”は製造中に許容できないコストがかさみ、そして空洞は自動車の排気環境における使用中に堆積物でふさがる。
【００４５】
図１６は、管状底部電極８４と先端部８６を備えた（接地）頂部電極８５とを用いることによりふさがりやスペーシングの問題を避ける装置１１３を示し、頂部電極８５の先端部８６は薄い（≦λ／２）クラッド８８と整列する。クラッドを備えた繊維の直径は約７０ミクロンである。３０〜７０ミクロンの放電ギャップの心狂いの危険は高く、解決するのにおそらくコストがこの。ガス放電領域は２つの長円形の陰影を施した領域８９で表わす。
【００４６】
図１７には、管状光学繊維９１の定性（正確な縮尺率でない）側面をもつ装置１１４を示し、中心電極９３と外側電極９４との間で管状“繊維”の頂部リム上に放電（長円形領域９２はリング状又は環状のマイクロ放電の断面を表わす）が生じる。管状繊維９１は電極に対して互いに平行に互いに隣接した多数の光学繊維に置き換えてもよい。装置１１４全体の直径は約３ｍｍである。中心電極９３の直径は約０．５ｍｍである。管状繊維即ち光学繊維９１の外径は約０．６ｍｍである。
【００４７】
図１８Ａ及び図１８Ｂはそれぞれ装置１１１、１１２を示し、装置１１１は、厚さの薄いクラッドを備える直径４０〜７０ミクロンの単一光学繊維９５を備え、また装置１１２は、直径約３００〜５００ミクロン（０．３〜０．５ｍｍ）の２つの大径の金属電極９６、９７間に位置し固定した四つの繊維９５を備える。両電極９６，９７は図１４に示すような同一セラミックブロック６９内に固定される。放電光５６は光学繊維９５と整列し、また組立体は比較的容易に製作できる。別個の繊維９５を用いることにより、機械的融通性をもたらす他に、種々の波長チャンネルに分離する（図１のバンドパスフィルタ２２又は分散要素を介して）仕方における設計上の融通性が得られる。
【００４８】
図１９Ａ及び図１９Ｂには、放電光（discharge light）１０３、製造の容易さ（温度変動にもかかわらず共通のセラミック固定ブロックを介してのギャップ調整及び安定性）及び設計上の融通性を得ることに関して、図１７、図１８Ａ及び図１８Ｂに関するセンサシステムの２つの形態１０１、１０２を示す。形態１０１では、電極１０４、１０５間に組立体１０１の放電１０３からの光を伝送する繊維１０６を備える。図１９Ｂにおける管状光学繊維１０７は多数（１０〜２０）の個々の繊維１０８で置き換えられ、これらの繊維１０８は中心電極１０９のまわりの円形即ち通路に沿って位置決めされる。中心電極１０９と周囲電極１１０との間で円形放電１０３が始まる。円形繊維装置１０７、１０８は組立体即ち装置１０２の放電１０３からの光を伝送する。装置１０２は図１７の装置１１４に非常に類似しているが、装置１１４の管状繊維９１は装置１０２における複数の繊維１０８の代わりに設けられる。
【００４９】
それぞれ図１８Ｂ及び図１９Ｂに示す装置１１２、１０２には、放電９２、１０３のための十分な領域、及び装置から信号処理及び分析用の適切な光学的及び電気的機構へ放電光を伝送する光学繊維９１、１０７、１０８を設ける。少なくとも１つの例示実施形態に関して本発明を説明したが、多くの変形及び変更は当業者には本明細書を読めば明らかである。従ってこの変形及び変更の全てを含むように先行技術の観点でできるだけ広義に特許請求の範囲を解釈するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】干渉フィルタを介して光入力（light input）に基く光学多チャンネル分析装置に光学的に結合したマイクロ放電装置を示す。
【図２】光学繊維インターフェースに対する放電ギャップの詳細図である。
【図３】排気管に取り付けた放電ギャップハウジングを示す。
【図４】走査ファブリ・ペロフィルタに基く光学単チャンネル波長変調分析装置に光学的に結合したマイクロ放電装置を示す。
【図５】ファブリ・ペロ型分析装置の詳細図である。
【図６】分光計に光学的に結合したマイクロ放電装置を示す。
【図７】Ｎ２におけるＮＯの混合物によるグロー放電のスペクトル放射の相対強度と波長の関係のグラフである。
【図８】種々の屈折率の物質の角度感度データの表である。
【図９】ガス感知における波長変調のファブリ・ペロフィルタ設計パラメータの表である。
【図１０】ファブリ・ペロフィルタの波長走査のグラフである。
【図１１】マイクロ放電電極を支持するシリカチップを備えたセンサシステムである。
【図１２】マイクロ放電電極を支持するシリカチップを備えないセンサシステムである。
【図１３】スパークプラグ状パッケージに配置したセンサを示す。
【図１４】電極包囲体を開いてセンサを示す断面図である。
【図１４Ａ】電極包囲体を開いてセンサを示す断面図である。
【図１５】電極の重なった縁部を示すセンサの断片図である。
【図１６】光導波管に対して同心の電極を備えたセンサを示す。
【図１７】環状放電ギャップを形成する同心電極の横断面図である。
【図１８Ａ】光学フィルタの頂面図である。
【図１８Ｂ】多数の光学フィルタで分離した一対の電極の頂面図である。
【図１９Ａ】光学フィルタで分離した２つの電極の側方断面図及び頂面図である。
【図１９Ｂ】光導波管で分離した２つの同心電極の側方断面図及び頂面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１４Ａ】
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【図１５】
2008510143.tif 000018
【図１６】
2008510143.tif 000019
【図１７】
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【図１８Ａ】
2008510143.tif 000021
【図１８Ｂ】
2008510143.tif 000022
【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年4月16日(2007.4.16)
【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】
第１電極（３１）と；
前記第１電極に近接し第１電極との間にギャップを形成する第２電極（３２）と；
前記ギャップに近接する第１端部を有する光導波管（２１、３４）と；
前記光導波管の第２端部の近くのフィルタ（２２）と；
前記第１電極及び第２電極を包囲する光学包囲体（３３）と、を有し、
前記光導波管（２１、３４）の第１端部が光学包囲体（３３）に近接され、前記ギャップが放電ギャップ（１８）である、センサシステム。
【請求項２】
第１電極（３１）と；
前記第１電極に近接し第１電極との間にギャップを形成する第２電極（３２）と；
前記ギャップに光学的に連結する第１端部を有し且つ第２端部を有する光導波管（２１、３４）と；
前記光導波管の第２端部に光学的に連結された分光計（２６、４７）と；を有するセンサシステム。
【請求項３】
放電（１８）を提供する手段（３１、３２）と；
前記放電を提供する手段の付近へ流体（１６）を流入させる手段と；
前記放電を提供する手段に光学的に結合され光を分析する手段（２６、４７、２４）と、を含むセンサ手段。
【請求項４】
流体を検出する方法であって、
放電を提供する工程と；
前記放電へ流体（１６）を流入させる工程と；
前記放電からの光を分析する工程（２６、４７、２４）と、を含む方法。
【国際調査報告】
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2008510143.tif 000027
2008510143.tif 000028
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