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技術 ガスセンサ較正装置及びガスセンサ較正方法

出願人 旭化成エレクトロニクス株式会社
発明者 カマルゴエジソンゴメス
出願日 2015年8月26日 (4年6ヶ月経過) 出願番号 2015-167167
公開日 2017年3月2日 (2年11ヶ月経過) 公開番号 2017-044577
状態 特許登録済
技術分野 光学的手段による材料の調査、分析
主要キーワード 分光発光特性 測定行 非分散赤外 算出係数 白金抵抗体 受光部出力 ガス濃度変化 投入タイミング
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

従来と比べてより簡易かつ短時間でガスセンサ較正することのできるガスセンサ較正装置及びガスセンサ較正方法を提供すること。

解決手段

本発明のガスセンサ較正装置10は、発光部2Aと、発光部2Aからの光を受光する受光部2Bと、受光部2Bの出力S及び算出係数Kに基づいてガス濃度を算出する信号処理部3と、を備えるガスセンサ1の較正を行うガスセンサ較正装置である。ガスセンサ較正装置10は、ガスを導入可能なチャンバー4と、このチャンバー4内の圧力を調整可能な圧力調整部5と、チャンバー4内の圧力を圧力情報Pとして出力する圧力センサ6と、圧力情報P及び受光部2Bの出力Sが入力され、算出係数Kを出力する較正部7と、を備えている。

概要

背景

従来から大気中の測定対象ガス濃度測定を行うガス濃度測定装置として、ガスの種類によって吸収される赤外線波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する非分散赤外吸収型(Non−Dispersive Infrared)ガス濃度測定装置が知られている。
この原理を用いたガス濃度測定装置としては、例えば、測定対象ガスが吸収特性を持つ波長の光を発光するLED(Light Emitting Diode)光源フォトダイオード型のセンサ及びガスセルから構成される例がある。このガスセルとは、光路でありながら、被検出ガスサンプルを抽出するための容器という役割を有する。このような構成のガスセンサは、受光部と発光部の構造からみれば、高速応答性高信頼性が実現できるという特徴はあるが、高精度の測定を実現するには下記の技術的な難点がある。

1.ガス濃度及びセンサ出力信号非線形温度特性を有する。
2.ガス濃度変化に対するセンサ出力の関係は非線形である。
3.センサの各波長における感度分光感度特性)と光源の各波長における発光特性分光発光特性)は異なる。
4.製造時に、分光感度特性と分光発光特性を決める半導体材料は一般的にナローギャップ半導体材料であり、3つ以上の元素から成るものが多い(例えば、AlInSb、InAsSbなど)。この場合、各々の原材料の混合比がばらつくとセンサの分光感度特性及びLEDの分光発光特性の温度依存性もばらつく。

高精度なガス濃度測定装置を実現するには、上記の1〜4に依るガス濃度測定装置の個体毎の特性のばらつきを、製造の段階で較正キャリブレーション)することが必要となる。
例えば、特許文献1には、ガスの濃度を変化させたときに得られるセンサの出力データを基に、センサ出力をガス濃度へ換算するための較正係数を算出する技術が開示されている。

概要

従来と比べてより簡易かつ短時間でガスセンサを較正することのできるガスセンサ較正装置及びガスセンサ較正方法を提供すること。本発明のガスセンサ較正装置10は、発光部2Aと、発光部2Aからの光を受光する受光部2Bと、受光部2Bの出力S及び算出係数Kに基づいてガス濃度を算出する信号処理部3と、を備えるガスセンサ1の較正を行うガスセンサ較正装置である。ガスセンサ較正装置10は、ガスを導入可能なチャンバー4と、このチャンバー4内の圧力を調整可能な圧力調整部5と、チャンバー4内の圧力を圧力情報Pとして出力する圧力センサ6と、圧力情報P及び受光部2Bの出力Sが入力され、算出係数Kを出力する較正部7と、を備えている。

目的

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来と比べてより簡易かつ短時間でガスセンサを較正することのできるガスセンサ較正装置及びガスセンサ較正方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

発光部と、前記発光部からの光を受光する受光部と、前記受光部の出力及び算出係数に基づいてガス濃度を算出する信号処理部と、を備えるガスセンサ較正を行うガスセンサ較正装置であって、ガスを導入可能なチャンバーと、前記チャンバー内の圧力を調整可能な圧力調整部と、前記チャンバー内の圧力を圧力情報として出力する圧力センサと、前記圧力情報及び前記受光部の出力が入力され、前記算出係数を較正する較正部と、を備えるガスセンサ較正装置。

請求項2

前記チャンバー内の温度を温度情報として出力する温度測定部をさらに備え、前記較正部は、前記圧力情報と前記受光部の出力及び前記温度情報とが入力されて前記算出係数を出力する請求項1に記載のガスセンサ較正装置。

請求項3

前記チャンバー内に前記ガスセンサが収納される請求項1又は2に記載のガスセンサ較正装置。

請求項4

発光部と、前記発光部からの光を受光する受光部と、前記受光部の出力及び算出係数に基づいてガス濃度を算出する信号処理部と、を備えるガスセンサの較正を行うガスセンサ較正方法であって、チャンバー内にガスを導入する第1のステップと、前記チャンバー内の圧力情報を較正部に出力する第2のステップと、前記受光部が受光した光に応じた信号を前記較正部に出力する第3のステップと、前記第2のステップ及び前記第3のステップを、前記チャンバー内の圧力を変更して複数回行った後に、前記圧力情報及び前記受光部の出力に基づいて前記算出係数を較正する第4のステップと、を有するガスセンサ較正方法。

請求項5

前記ガスセンサの温度を測定し、該温度を温度情報として前記較正部に出力する第5のステップをさらに有し、前記第4のステップは、前記圧力情報と前記受光部の出力及び前記温度情報に基づいて前記算出係数を較正する請求項4に記載のガスセンサ較正方法。

請求項6

前記第1のステップは、前記ガスセンサの温度を一定に制御した状態で、前記チャンバー内の圧力を変更する請求項5に記載のガスセンサ較正方法。

請求項7

前記1のステップは、前記ガスセンサの温度及び前記チャンバー内の圧力をそれぞれ変化させ、前記第3のステップは、前記ガスセンサの温度及び前記チャンバー内の圧力をそれぞれ変化させた状態で、前記受光部が受光した光に応じた信号を前記較正部に出力する請求項5に記載のガスセンサ較正方法。

請求項8

前記第1のステップは、前記チャンバー内の圧力を一定の周期変調させる請求項7に記載のガスセンサ較正方法。

請求項9

発光部と、前記発光部からの光を受光する受光部と、前記受光部の出力及び較正算出係数に基づいてガス濃度を算出する信号処理部と、を備えるガスセンサであって、前記較正算出係数が、チャンバー内にガスを導入する第1のステップと、前記チャンバー内の圧力情報を較正部に出力する第2のステップと、前記受光部が受光した光に応じた信号を較正部に出力する第3のステップと、前記第2のステップ及び前記第3のステップを、前記チャンバー内の圧力を変更して複数回行った後に、前記圧力情報及び前記受光部の出力に基づいて算出係数を較正する第4のステップと、により設定されたものであるガスセンサ。

技術分野

0001

本発明は、ガスセンサ較正装置及びガスセンサ較正方法に関し、より詳細には、従来と比べてより簡易かつ短時間でガスセンサを較正することのできるガスセンサ較正装置及びガスセンサ較正方法に関する。

背景技術

0002

従来から大気中の測定対象ガス濃度測定を行うガス濃度測定装置として、ガスの種類によって吸収される赤外線波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する非分散赤外吸収型(Non−Dispersive Infrared)ガス濃度測定装置が知られている。
この原理を用いたガス濃度測定装置としては、例えば、測定対象ガスが吸収特性を持つ波長の光を発光するLED(Light Emitting Diode)光源フォトダイオード型のセンサ及びガスセルから構成される例がある。このガスセルとは、光路でありながら、被検出ガスサンプルを抽出するための容器という役割を有する。このような構成のガスセンサは、受光部と発光部の構造からみれば、高速応答性高信頼性が実現できるという特徴はあるが、高精度の測定を実現するには下記の技術的な難点がある。

0003

1.ガス濃度及びセンサ出力信号非線形温度特性を有する。
2.ガス濃度変化に対するセンサ出力の関係は非線形である。
3.センサの各波長における感度分光感度特性)と光源の各波長における発光特性分光発光特性)は異なる。
4.製造時に、分光感度特性と分光発光特性を決める半導体材料は一般的にナローギャップ半導体材料であり、3つ以上の元素から成るものが多い(例えば、AlInSb、InAsSbなど)。この場合、各々の原材料の混合比がばらつくとセンサの分光感度特性及びLEDの分光発光特性の温度依存性もばらつく。

0004

高精度なガス濃度測定装置を実現するには、上記の1〜4に依るガス濃度測定装置の個体毎の特性のばらつきを、製造の段階で較正(キャリブレーション)することが必要となる。
例えば、特許文献1には、ガスの濃度を変化させたときに得られるセンサの出力データを基に、センサ出力をガス濃度へ換算するための較正係数を算出する技術が開示されている。

先行技術

0005

特表2013−541019号公報

発明が解決しようとする課題

0006

従来技術によれば、任意の温度におけるガス濃度変化に対するセンサ出力の関係の非線形特性線形になるよう補正するには、較正時に多数の濃度のガスを供給する必要がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来と比べてより簡易かつ短時間でガスセンサを較正することのできるガスセンサ較正装置及びガスセンサ較正方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

本発明の第1の態様は、発光部と、前記発光部からの光を受光する受光部と、前記受光部の出力及び算出係数に基づいてガス濃度を算出する信号処理部と、を備えるガスセンサの較正を行うガスセンサ較正装置であって、ガスを導入可能なチャンバーと、前記チャンバー内の圧力を調整可能な圧力調整部と、前記チャンバー内の圧力を圧力情報として出力する圧力センサと、前記圧力情報及び前記受光部の出力が入力され、前記算出係数を出力する較正部と、を備える。

0008

本発明の第2の態様は、発光部と、前記発光部からの光を受光する受光部と、前記受光部の出力及び算出係数に基づいてガス濃度を算出する信号処理部と、を備えるガスセンサの較正を行うガスセンサ較正方法であって、チャンバー内にガスを導入する第1のステップと、前記チャンバー内の圧力情報を較正部に出力する第2のステップと、前記受光部が受光した光に応じた信号を前記較正部に出力する第3のステップと、前記第2のステップ及び前記第3のステップを、前記チャンバー内の圧力を変更して複数回行った後に、前記圧力情報及び前記受光部の出力に基づいて前記算出係数を較正する第4のステップと、を有する。

0009

本発明の第3の態様は、発光部と、前記発光部からの光を受光する受光部と、前記受光部の出力及び較正算出係数に基づいてガス濃度を算出する信号処理部と、を備えるガスセンサであって、前記較正算出係数が、チャンバー内にガスを導入する第1のステップと、前記チャンバー内の圧力情報を較正部に出力する第2のステップと、前記受光部が受光した光に応じた信号を較正部に出力する第3のステップと、前記第2のステップ及び前記第3のステップを、前記チャンバー内の圧力を変更して複数回行った後に、前記圧力情報及び前記受光部の出力に基づいて算出係数を較正する第4のステップと、により設定されたものである。

発明の効果

0010

本発明によれば、従来と比べてより簡易かつ短時間でガスセンサを較正するためのガスセンサの較正装置及びガスセンサ較正方法が実現できる。

図面の簡単な説明

0011

本発明に係るガスセンサ較正装置の実施形態1を説明するための構成図である。
図1に示した実施形態1のガスセンサ較正方法を説明するためのフローチャートを示す図である。
本発明に係るガスセンサ較正装置の実施形態2を説明するための構成図である。
図3に示した実施形態2のガスセンサ較正方法を説明するためのフローチャートを示す図である。
(a)乃至(c)は、温度と圧力の具体的な変更プロファイルを示す図である。
(a)乃至(c)は、温度と圧力の他の具体的な変更プロファイルを示す図である。

実施例

0012

以下に本発明の各態様について説明する。なお、以下の態様は、特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、態様の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
[第1の態様]
<ガスセンサ較正装置>
第1の態様に係るガスセンサ較正装置は、発光部、受光部、並びに、受光部の出力及び算出係数に基づいてガス濃度を算出する信号処理部を備えるガスセンサの較正を行うガスセンサ較正装置であって、ガスを導入可能なチャンバーと、チャンバー内の圧力を調整可能な圧力調整部と、チャンバー内の圧力を圧力情報として出力する圧力センサと、圧力情報及び受光部の出力が入力され、算出係数を出力する較正部と、を備えている。

0013

第1の態様に係るガスセンサ較正装置によれば、1種類の標準ガスを利用し、チャンバー内のガスの圧力を変えることによって、ガスセンサからみた疑似的な濃度を変えることができ、従来と比べてより簡易かつ短時間でガスセンサを較正することが可能となる。
第1の態様に係るガスセンサ較正装置は、ガスセンサの温度を温度情報として出力する温度測定部をさらに備え、較正部は、圧力情報、受光部の出力及び温度情報が入力され、算出係数を出力してもよい。

0014

第1の態様に係るガスセンサ較正装置は、さらに温度制御部を備えても良い。温度制御部は、後述の温度センサから出力される温度情報を利用して、チャンバー内が所望の温度になるように温度制御を行うことが可能である。
第1の態様に係るガスセンサ較正装置は、さらにパージ用弁を備えても良い。パージ用弁はチャンバーに接続され、チャンバー内の残留ガス排気することが可能である。パージ用弁は、ガスセンサがチャンバー内に設置される際に、チャンバー内に入り込んだ大気(濃度のコントロールされていない空気)を排気するのに利用される。
第1の態様に係るガスセンサ較正装置は、さらに標準ガス源を備えても良い。標準ガス源は、一定の温度及び圧力下に於いて、所望の濃度を持つガス源である。一般的にはボンベ内収納される。較正の際に、このガス濃度を基準にしてガスセンサを較正することとなる。

0015

<チャンバー>
チャンバーは、密閉性が良く、ガスを導入可能なチャンバーであれば特に限定されない。材質や形状は特に限定されないが、較正の際に係る圧力に十分に耐えるように設計されている必要がある。後述のように、ガスの入れ替え効率を高められるという観点から、最低限の容積で設計されることが好ましい。またチャンバーは密閉のできる恒温槽であっても良い。この場合、内部のガス及びガスセンサが同一の温度になるため、好ましい場合がある。

0016

<圧力調整部>
圧力調整部は、チャンバー内の圧力を調整可能なものであれば特に限定されない。ここで圧力の「調整」とは1つの圧力値から他の圧力値に変化することを意味し、すなわち加圧減圧のいずれも意味するものである。変化後の他の圧力値は所望の値に制御されたものであってもよいし、成り行きで変化したものであってもよい。圧力調整部は、後述の圧力センサの出力を基準にチャンバー内の圧力を調整することができる。圧力調整部の具体的な例としては、チャンバー内を加圧および/または減圧が可能なポンプや、チャンバー内の圧力とは異なる圧力の空間に接続可能なバルブや、ピストンを持ったポンプなどが挙げられる。

0017

<圧力センサ>
圧力センサは、チャンバー内の圧力情報を出力する役割を有する。圧力情報とは、チャンバー内の圧力を直接または間接的に示す情報を意味し、例えば、チャンバー内の圧力を直接示すデータや、チャンバー内の圧力に応じて圧力センサから出力された信号等が挙げられる。圧力センサは、ガスセンサの較正の際に使用する圧力を正確に測定できれば良く、検出方式は特に限定されない。後述のように、高速に圧力を変調するような較正方法の場合、応答性の良い圧力センサを利用することが好ましい。

0018

<ガスセンサ>
ガスセンサは、発光部、受光部、並びに、受光部の出力及び算出係数に基づいてガス濃度を算出する信号処理部を備え、ガス濃度を検出するセンサである。方式は問わないが、本発明の効果は特に高速に応答するガスセンサの較正時に特に発揮できる。信号処理部はガスセンサに備えられ、較正の際にガスセンサ較正装置で較正される算出係数を記憶し、実使用環境下でこの算出係数を基にガス濃度の測定行い、その結果を出力する役割を有する。

0019

<較正部>
較正部は、圧力情報及び受光部の出力が入力され、算出係数を出力する。較正部から出力された算出係数は、ガスセンサ内に備えられる信号処理部に入力される。較正部は、較正部内に備えられた記録部に記録された圧力情報、受光部の出力に基づき算出係数を算出する。記録部の具体的な構成としては、例えば、半導体メモリー回路(EEPROMなど)が挙げられる。

0020

また、較正部は、圧力情報、受光部の出力及び後述の温度測定部が出力する温度情報が入力され、算出係数を出力してもよい。この場合も、較正部から出力された算出係数は、ガスセンサ内に備えられる信号処理部に入力される。較正部は、較正部内に備えられた記録部に記録された圧力情報、受光部の出力及び温度情報に基づき算出係数を算出する。較正部は、温度情報に基づいて算出係数を較正することで、環境温度の影響を受けずに正確なガス濃度測定が可能となるという効果を奏する。

0021

また、較正部は、前回の較正時の算出係数を記録部に記録し、圧力情報、受光部の出力及び温度情報に基づきその算出係数を更新することで、新たな算出係数(較正後の算出係数)を算出してもよい。
<温度測定部>
温度測定部は、チャンバー内の温度を温度情報として出力する。温度測定部としては、具体的にはサーミスタ白金抵抗体等を利用することができる。

0022

[第2の態様]
<ガスセンサ較正方法>
第2の態様に係るガスセンサ較正方法は、発光部、受光部、並びに、受光部の出力及び算出係数に基づいてガス濃度を算出する信号処理部を備えるガスセンサの較正を行うガスセンサの較正方法であって、チャンバー内にガスを導入する第1のステップと、チャンバー内の圧力情報を較正部に出力する第2のステップと、受光部が受光した光に応じた信号を較正部に出力する第3のステップと、第2のステップ及び第3のステップを、チャンバー内の圧力を変更して複数回行った後に、圧力情報及び受光部が出力した信号に基づいて算出係数を較正する第4のステップと、を有する。

0023

第2の態様に係るガスセンサ較正方法によれば、1種類の標準ガスを利用し、チャンバー内のガスの圧力を変えることによって、ガスセンサからみた疑似的な濃度を変えることができ、従来と比べてより簡易かつ短時間でガスセンサを較正することが可能となる。
第2の態様に係るガスセンサ較正方法では、ガスセンサの温度を測定し、温度を温度情報として較正部に出力する第5のステップをさらに有し、第4のステップは、圧力情報、受光部が出力した信号及び温度情報に基づいて算出係数を較正し、較正後の算出係数を信号処理部に出力してもよい。較正部は、温度情報に基づいて算出係数を較正することで、環境温度の影響を受けずに正確なガス濃度測定が可能となるという効果を奏する。

0024

第2の態様に係るガスセンサ較正方法では、第1のステップは、ガスセンサの温度を一定に制御した状態で、チャンバー内の圧力を変更してもよい。これにより、ガスセンサの温度による出力の影響を排除することで高精度の較正が可能となる。
第2の態様に係るガスセンサ較正方法では、第1のステップは、ガスセンサの温度及びチャンバー内の圧力をそれぞれ変化させ、第3のステップは、ガスセンサの温度及びチャンバー内の圧力をそれぞれ変化させた状態で、受光部が受光した光に応じた信号を較正部に出力してもよい。これにより、短時間の較正が可能となるという効果を奏する。

0025

第2の態様に係るガスセンサ較正方法では、第1のステップは、圧力調整部が、チャンバー内の圧力を一定の周期で変調させてもよい。ここで変調とは、一定の周期(周波数)でチャンバー内の圧力を変動させる(加圧・減圧の繰り返し)ことを意味する。これにより、高精度の較正が可能という効果を奏する。

0026

[第3の態様]
<ガスセンサ>
第3の態様に係るガスセンサは、発光部、受光部、並びに、受光部の出力及び較正算出係数に基づいてガス濃度を算出する信号処理部を備えるガスセンサであって、較正算出係数が、チャンバー内にガスを導入する第1のステップと、チャンバー内の圧力を測定し、この圧力を圧力情報として較正部に出力する第2のステップと、受光部が受光した光に応じた信号を較正部に出力する第3のステップと、第2のステップ及び第3のステップをチャンバー内の圧力を変更して複数回行った後に、圧力情報及び受光部が出力した信号に基づいて算出係数を較正し、較正後の算出係数を信号処理部に出力する第4のステップにより設定されたものである。

0027

第3の態様に係るガスセンサによれば、従来と比べて簡易かつ短時間でガスセンサの較正が可能となったため、同程度の時間でより高精度の較正を行うことが可能となり、その結果、高精度のガスセンサが実現可能となる。
以下に本発明を実施するための形態(以下、本実施形態という)について説明する。なお、以下の各実施形態は、特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
また、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

0028

<実施形態1>
図1は、本発明に係るガスセンサ較正装置の実施形態1を説明するための構成図である。図1に示すように、本実施形態1のガスセンサ較正装置10は、発光部2Aと、この発光部2Aからの光を受光する受光部2Bと、受光部2Bの出力S及び算出係数Kに基づいてガス濃度を算出する信号処理部3と、を備えるガスセンサ1の較正を行うガスセンサ較正装置である。

0029

また、ガスセンサ較正装置10は、ガスを導入可能なチャンバー4と、このチャンバー4内の圧力を調整可能な圧力調整部5と、チャンバー4内の圧力を圧力情報Pとして出力する圧力センサ6と、圧力情報P及び受光部2Bの出力Sが入力され、算出係数Kを出力する較正部7と、を備えている。
また、図1に記載のガスセンサ較正装置10は、標準ガス源8とパージ用弁9とを備えている。また、チャンバー4内には、ガスセンサ1が収納されている。

0030

また、上述したように、ガスセンサ1は、発光部2Aと、この発光部2Aからの光を受光する受光部2Bと、受光部2Bの出力S及び算出係数Kに基づいてガス濃度を算出する信号処理部3と、を備えている。
そこで、算出係数Kは、チャンバー4内にガスを導入する第1のステップS11と、チャンバー4内の圧力情報Pを較正部7に出力する第2のステップS12と、受光部2Bが受光した光に応じた信号を較正部7に出力する第3のステップS13と、第2のステップS12及び第3のステップS13を、チャンバー4内の圧力を変更して複数回行った後に、圧力情報P及び受光部2Bの出力Sに基づいて算出係数Kを較正する第4のステップS14と、により設定されたものである。

0031

このようなガスセンサ較正装置10におけるガスセンサ較正方法は、発光部2Aと、この発光部2Aからの光を受光する受光部2Bと、受光部2Bの出力S及び算出係数Kに基づいてガス濃度を算出する信号処理部3と、を備えるガスセンサ1の較正を行うガスセンサ較正方法である。
まず、チャンバー4内にガスを導入する第1のステップS11と、チャンバー4内の圧力情報Pを較正部7に出力する第2のステップS12と、受光部2Bが受光した光に応じた信号を較正部7に出力する第3のステップS13と、第2のステップS12及び第3のステップS13を、チャンバー4内の圧力を変更して複数回行った後に、圧力情報P及び受光部2Bの出力Sに基づいて算出係数Kを較正する第4のステップS14と、を有している。

0032

ここで、算出係数Kの次元は、ガスセンサの構造及び実使用環境に於いて要求される測定精度によって異なるが、多次元であっても良い。例えば、(k1、k2、・・・、km)のように、m次元の係数であってもよい。
図2は、図1に示した実施形態1のガスセンサ較正方法を説明するためのフローチャートを示す図である。

0033

(搬送)
ガスセンサ1をチャンバー4内のステージ搬入する(S21)。この操作は、ロボットを利用して自動的に行われても良い。また、図示されないが、搬送用の開口部を設けて、ガスセンサ1をチャンバー4内のステージに搬送しても良い。ガスセンサ較正装置10の構成によっては、複数のガスセンサ1を同時に較正する構成とすることも可能である。この場合、タクトタイムが短くなるので、好ましい場合がある。

0034

ガス導入
搬送後、標準ガス源8から標準ガスが導入される(S22)。その時に、パージ用弁9は開かれ、チャンバー4が標準ガスで充満されるまでガスの置換が行われる。タクトタイムを更に短くするため、標準ガス導入前に、パージ用弁9から真空ポンプで引いても良い。
(圧力情報、受光部の出力の記録)
ここでは標準ガス源8から標準ガスが導入された状態において、圧力センサ6の出力である圧力情報及びガスセンサ1の受光部2Bの出力が、較正部7内に備えられた記録部に記録される。

0035

(圧力変更)
圧力調整部5によってチャンバー4内の圧力が調整され、この状態下でガスセンサ1を動作させる(S23)。
(圧力情報、受光部の出力の記録)
ここでは圧力調整部5によってチャンバー4内の圧力が調整された状態に於ける圧力センサ6の出力である圧力情報及びガスセンサ1の受光部2Bの出力が、較正部7内に備えられた記録部に記録される(S24)。

0036

(算出係数の算出)
ここで、記録部に記録された圧力情報及びガスセンサ1の受光部2Bの出力に基づいて算出係数Kを算出する方法(S25)の一例を説明する。
圧力Pと受光部の出力Sとの関係は、例えば、下記の式(1)のように示すことができる。
P(S)=k1(S)+k2 ・・・(1)
但し、k1、k2は定数である。

0037

また、ガスセンサが一定の圧力にさらされた場合の濃度CGASは、式(2)に示す気体方程式から算出することができる。
CGAS=(n/V)=P/(RT) ・・・(2)
但し、nは分子数、Vは体積、Rは気体定数、Pは圧力、Tは温度である。
ここで、圧力変更前後において記録部に記録された圧力情報及びガスセンサ1の受光部2Bの出力に基づいて、式(1)の定数k1、k2を求めることができる。また、ガスセンサ1は、定数k1、k2の求まった式(1)及び式(2)を基に、ガス濃度の演算が可能である(Sには測定時の受光部の出力を使用する)。

0038

なおここで、式(1)は1次の多項式として示したが、特に次元は制限されない。多項式の次元は要求されるガスセンサの精度に応じて減らしてもよいし、増やしても良く、タクトタイムと要求精度に応じて設定されても良い。
なおこの場合、算出係数Kとは式(1)の定数k1、k2を意味する。なお定数k1、k2の算出方法は特に限定されないが、一般的には数値計算によるフィッティングが使われる。

0039

(算出係数書き込み)
記録部に記録された圧力情報P及びガスセンサ1の受光部2Bの出力に基づいて算出係数Kを算出した後、ガスセンサ1の信号処理部3に較正後の算出係数Kが書き込まれる(S26)。
搬出
ガスセンサ1が較正(新たな算出係数の書き込みが完了)後、チャンバー4内から搬出される(S27)。搬出の手段は問わないが、搬入と同様の手法を利用しても良い。

0040

<実施形態2>
図3は、本発明に係るガスセンサ較正装置の実施形態2を説明するための構成図である。本実施形態2は、上述した実施形態1に温度測定部11をさらに備えた構成で、その他の構成は、実施形態1と同様である。
チャンバー4内の温度を温度情報Tとして出力する温度測定部11をさらに備え、較正部7は、圧力情報Pと受光部2Bの出力S及び温度情報Tとが入力されて算出係数Kを較正(若しくは算出)する。

0041

また、ガスセンサ1の温度を測定し、この温度を温度情報Tとして較正部7に出力する第5のステップS15をさらに有し、第4のステップS14は、圧力情報Pと受光部2Bの出力S及び温度情報Tに基づいて算出係数Kを較正する。
また、第1のステップS11は、ガスセンサ1の温度を一定に制御した状態で、チャンバー4内の圧力を変更する。

0042

また、第1のステップS11は、ガスセンサ1の温度及びチャンバー4内の圧力をそれぞれ変化させ、第3のステップS13は、ガスセンサ1の温度及びチャンバー4内の圧力をそれぞれ変化させた状態で、受光部2Bが受光した光に応じた信号を較正部7に出力する。さらに、第1のステップS11は、チャンバー4内の圧力を一定の周期で変調させる。
図4は、図3に示した実施形態2のガスセンサ較正方法を説明するためのフローチャートを示す図である。

0043

(搬送)
ガスセンサ1をチャンバー4内のステージに搬入する(S41)。この操作は、ロボットを利用して自動的に行われても良い。また、図示されないが、搬送用の開口部を設けて、ガスセンサ1をチャンバー4内のステージに搬送しても良い。ガスセンサ較正装置10の構成によっては、複数のガスセンサ1を同時に較正する構成とすることも可能である。この場合、タクトタイムが短くなるので、好ましい場合がある。

0044

(ガス導入)
搬送後、標準ガス源8から標準ガスが導入される(S42)。その時に、パージ用弁9は開かれ、チャンバー4が標準ガスで充満されるまでガスの置換が行われる。タクトタイムを更に短くするため、標準ガス導入前に、パージ用弁9から真空ポンプで引いても良い。
(温度安定化)
温度制御部(図示せず)によって、チャンバー4内が所望の温度になるように制御される(S43)。

0045

(圧力変更)
圧力調整部5によってチャンバー4の内の圧力が制御・変更され、この状態下でガスセンサ1を動作させる(S44)。
(ガスセンサの電源について)
この操作は、図4からは省略している。実施形態2においては、ガスセンサ1の電源投入イミングは特に制限されないが、ガスセンサ1から発熱がある場合、温度安定化のフローの前か、又は、温度安定化のフローと同時にガスセンサ1の電源を投入しても良い。投入タイミングはチャンバー4の内の温度安定化がし易いように決めることが好ましい。ガスセンサ1を間欠駆動して較正する場合、ガスセンサ1からは発熱が殆ど生じないため、ガスセンサの較正前のデータ読み取りの際(つまり、読み取り直前)に電源投入をしても良い。

0046

(圧力情報、温度情報、受光部の出力の記録)
圧力調整部5によってチャンバー4内の圧力が調整された状態に於ける圧力センサ6の出力である圧力情報と温度測定部11によってチャンバー4内の温度が調整された状態に於ける温度測定部11の出力である温度情報T及びガスセンサ1の受光部2Bの出力が、較正部7内に備えられた記録部に記録される(S45)。他温度で測定されたかどうかを判断し、他温度であればステップS43に戻り、他温度でなければ次のステップに進む(S46)。

0047

(算出係数の算出)
ここで、記録部に記録された圧力情報、温度情報及びガスセンサ1の受光部2Bの出力に基づいて算出係数を算出する方法(S47)の一例を説明する。
図5(a)乃至(c)は、温度と圧力の具体的な変更プロファイルを示す図で、図5(a)はセンサ温度Tと圧力Pの変化、図5(b)は受光部の出力Sの変化、図5(c)は記録データ(圧力Pに対する受光部出力Sの関係)をそれぞれ示している。

0048

図5(a)では、温度は、例えば、T1、T2、T3になるように制御されている。各々の温度になったときに、圧力Pを変化させて、各圧力でのガスセンサの受光部の出力が記録される。また、図5(a)では、圧力Pが線形に変化するプロファイルを示したが、ステップ状のプロファイルでも良い。また、図5(a)は圧力上昇のみのプロファイルであるが、加圧・減圧のプロファイルでも良く、圧力上下のサイクルを何回か繰り返しても良い。この場合、SNRと較正精度の観点から、好ましい場合がある。

0049

また、後述のように、応答性の良いガスセンサの較正の場合、一定の周波数で圧縮膨張させても良い。この場合、高精度での構成が可能となるため、本発明の効果が発揮できる。つまり、高速化、高精度の較正を両立するため、好ましい場合はある。
圧力Pを変えることで、疑似的にチャンバー内の分子数を変えることができる。これによりガスセンサで検出される濃度を容易に変えることができるため、一種類の標準ガスで多数のガス濃度の環境が瞬時に作られるため、ガスセンサの較正が容易にできる。

0050

図5(b)は、ガスセンサの受光部の出力Sの変化を示す図で、この出力Sに加え、チャンバー4内の温度と圧力Pが記録される。
温度Tをパラメータにし、圧力Pと受光部の出力Sとの関係は、例えば、図5(c)で示す関係となる。この関係は、一般的には下記の式(3)で示すことができる。
P(S、T)=A(T)(S)3+B(T)(S)2+C(T)(S)+D(T) ・・・(3)
但し、A、B、C、Dは温度の関数である。

0051

また、ガスセンサが一定の圧力にさらされた場合の濃度CGASは、式(4)に示す気体方程式から算出することができる。
CGAS=(n/V)=P/(RT) ・・・(4)
但し、nは分子数、Vは体積、Rは気体定数、Pは圧力、Tは温度を示している。
上記の式のA〜Dは温度によって、変化し、一般的に式(5)〜(8)で示すことができる。

0052

A(T)=aAT3+bAT2+cAT+dA ・・・(5)
B(T)=aBT3+bBT2+cBT+dB ・・・(6)
C(T)=aCT3+bCT2+cCT+dC ・・・(7)
D(T)=aDT3+bDT2+cDT+dD ・・・(8)
ここで式(3)及び式(5)〜(8)では、3次の多項式として示したが、次元は制限されず、何次の多項式でも良い。多項式の次元は要求されるガスセンサの精度に応じて減らしてもよいし、増やしても良く、タクトタイムと要求精度に応じて設定されても良い。

0053

なおこの場合、算出係数Kとは、式(5)〜(8)のパラメータaN〜dNを意味する。ガスセンサ1は、式(3)、式(4)及びパラメータaN〜dNの求まった式(5)〜(8)を基に、ガス濃度の演算が可能である(S及びTには測定時の受光部の出力及び温度情報を使用する)。ここで、パラメータaN〜dNの算出方法は特に問わないが、一般的には数値計算によるフィッティングによって求めることが可能である。

0054

上述した搬入・較正・搬出という過程は、ガスセンサ毎に行われても良いが、多数のガスセンサで同時に行っても良い。また、同様に、搬送・搬出は複数のガスセンサが配置されるようなカセット式であってもよい。
上述した方法は、一種類の標準ガスを利用した実施形態を示したが、較正の濃度範囲が広い場合、複数の標準ガスを利用しても良い。

0055

図6(a)乃至(c)は、温度と圧力の他の具体的な変更プロファイルを示す図で、図6(a)はセンサ温度Tと圧力Pの変化、図6(b)は受光部の出力Sの変化、図6(c)は温度に対する感度の関係をそれぞれ示している。
図5(a)乃至(c)では、温度を一定にして、圧力を変えながら測定を行うという手段を説明したが、図6(a)で示すように、温度を可変にしながら、圧力に変調をかけても良い。例えば、温度をTSTART〜TEND変化させている間に、一定の振幅、一定の周波数fで圧力を変調させても良い。変調の一例として、圧力P0を中心にΔPの振幅で変調させる方法が挙げられる。この場合、例えば、図6(b)で示すような受光部の出力が得られる。この方法を利用することで、図6(b)で示すように、変調周波数fで変調した信号が得られる。この信号の振幅は温度によって異なる。

0056

また、圧力変化ΔP(若しくはガス濃度CGAS)に対して、信号変化ΔSの比(ΔS/ΔP、若しくはΔS/ΔCGAS)と温度との依存性が求められる。
図6(c)は、ΔS/ΔCGASの温度依存の一例を示す図である。ΔS/ΔCGASと温度Tとの関係を基に、ガスセンサの算出係数を算出しても良い。また、P0を変えることで、異なる圧力での感度(ΔS/ΔCGAS)|Pを算出しても良い。

0057

この方法(例えば、一度高い周波数fに変調し、その後復調する)のメリットは高いSNRを実現できるということであり、ガスセンサの較正に応用することで、本発明の効果が大いに発揮でき、タクトタイム短縮及び高精度の較正の観点から好ましい場合がある。
(算出係数書き込み)
記録部に記録された圧力情報P及びガスセンサ1の受光部2Bの出力に基づいて算出係数Kを算出した後、ガスセンサ1の信号処理部3に較正後の算出係数Kが書き込まれる(S48)。

0058

(搬出)
ガスセンサ1が較正(新たな算出係数の書き込みが完了)後、チャンバー4内から搬出される(S49)。搬出の手段は問わないが、搬入と同様の手法を利用しても良い。
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は、上述した各実施形態に記載の技術的範囲には限定されない。上述した各実施形態に、多様な変更又は改良を加えることも可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

0059

1ガスセンサ
2A発光部
2B受光部
3信号処理部
4チャンバー
5圧力調整部
6圧力センサ
7較正部
8標準ガス源
9パージ用弁
10 ガスセンサ較正装置
11温度測定部

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