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KR-20260061057-A - ELECTRONIC ARRANGEMENT AND METHOD FOR DETERMINING PHOTOCURRENT TAKING INTO ACCOUNT TEMPERATURE DEPENDENCE, AND OPTICAL GAS SENSOR

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Abstract

본 발명은 온도 의존성을 고려하여 광전류를 결정하는 전자 장치(1)에 관한 것이다. 전자 장치(1)는 양극 단자(11) 및 음극 단자(12)를 갖는 광 검출기(10); 및 제1 입력(21), 제2 입력(22) 및 출력(23)을 갖는 연산 증폭기(20)를 포함하고, 이때 광 검출기(10)의 양극 단자(11)와 연산 증폭기(20)의 제1 입력(21)이 전기적으로 서로 연결되고, 광 검출기(10)의 음극 단자(12)와 연산 증폭기(20)의 제2 입력(22)이 전기적으로 서로 연결된다. 또한, 전자 장치(1)는 제1 경로(41)를 통해 광 검출기(10)의 양극 단자(11) 및 연산 증폭기(20)의 제1 입력(21)과 전기적으로 연결된 바이어스 전압 단자(50); 및 제1 경로(41) 내에서 광 검출기(10)의 양극 단자(11)와 바이어스 전압 단자(50) 사이에 배치된 분압기(30)를 포함한다. 또한, 본 발명은 광 가스 센서(100) 및 온도 의존성을 고려하여 광전류를 결정하는 방법(200)에 관한 것이다.

Inventors

  • 후머, 마르쿠스
  • 힌터뮐러, 마르쿠스
  • 하이더, 알빈
  • 바일구니, 미하엘

Assignees

  • 이플러스이엘렉트로닉 게엠베하

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20251024
Priority Date
20241025

Claims (15)

  1. 온도 의존성을 고려하여 광전류를 결정하는 전자 장치(1)로서, 양극 단자(11) 및 음극 단자(12)를 갖는 광 검출기(10); 제1 입력(21), 제2 입력(22) 및 출력(23)을 갖는 연산 증폭기(20) - 상기 광 검출기(10)의 상기 양극 단자(11)와 상기 연산 증폭기(20)의 제1 입력(21)이 전기적으로 서로 연결되고, 상기 광 검출기(10)의 상기 음극 단자(12)와 상기 연산 증폭기(20)의 제2 입력(22)이 전기적으로 서로 연결됨 -; 및 제1 경로(41)를 통해 상기 광 검출기(10)의 상기 양극 단자(11) 및 상기 연산 증폭기(20)의 상기 제1 입력(21)과 전기적으로 서로 연결된 바이어스 전압 단자(50)를 포함하는 전자 장치에 있어서, 상기 전자 장치(1)는 상기 제1 경로(41) 내에서 상기 광 검출기(10)의 상기 양극 단자(11)와 상기 바이어스 전압 단자(50) 사이에 배치된 분압기(30)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전자 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분압기(30)는 상기 바이어스 전압 단자(50)에 전압이 인가될 때 상기 광 검출기(10)의 바이어스 전압을 제공하고, 상기 바이어스 전압은 a) 2 mV 이하, 특히 1 mV 이하의 값을 갖고/갖거나 b) 상기 바이어스 전압 단자(50)에 인가되는 전압보다 적어도 100배, 특히 적어도 200배 낮은 것을 특징으로 하는, 전자 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 바이어스 전압 단자(50)는 또한 상기 광 검출기(10)의 상기 음극 단자(12) 및 상기 연산 증폭기(20)의 상기 제2 입력(22)과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 전자 장치(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연산 증폭기(20)의 상기 제2 입력(22)은 상기 연산 증폭기(20)의 반전 입력으로 설계되고/되거나 상기 연산 증폭기(20)는 트랜스임피던스 증폭기의 일부로 설계되는 것을 특징으로 하는, 전자 장치(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 장치(1)는 상기 연산 증폭기(20)의 상기 제2 입력(22) 및 상기 연산 증폭기(20)의 상기 출력(23)을 서로 전기적으로 연결하는 음의 피드백 경로(43)를 더 포함하고, 상기 음의 피드백 경로(43)는 저항, 특히 직렬 연결된 두 개의 저항(R3, R4)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전자 장치(1).
  6. 제5항에 있어서, 상기 전자 장치(1)는 상기 직렬 연결된 두 개의 저항(R3, R4) 사이의 영역(45)에서 상기 음의 피드백 경로(43)를 상기 바이어스 전압 단자(50)와 전기적으로 서로 연결하는 분기 경로(44)를 더 포함하고, 특히 상기 분기 경로(44)는 분기 저항(R5)을 갖는 것을 특징으로 하는, 전자 장치(1).
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 전자 장치(1)는 상기 저항, 특히 상기 음의 피드백 경로(43)의 상기 직렬 연결된 두 개의 저항(R3, R4)에 병렬 배열되어 저역 통과 필터를 형성하는 커패시터(C)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전자 장치(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분압기(30)는 입력(31), 제1 출력(32) 및 제2 출력(33)을 포함하고, 상기 분압기(30)의 상기 입력(31)은 상기 바이어스 전압 단자(50)와 전기적으로 연결되고, 상기 분압기(30)의 상기 제1 출력(32)은 상기 광 검출기(10)의 상기 양극 단자(11)와 전기적으로 연결되고, 특히, 상기 분압기(30)의 상기 제1 출력(32)에 공급된 전압은 상기 분압기(30)의 상기 입력(31)에 인가되는 전압보다 적어도 100배, 특히 적어도 200배 더 낮은 것을 특징으로 하는, 전자 장치(1).
  9. 제8항에 있어서, 상기 분압기(30)는 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)을 포함하고, 상기 분압기(30)의 상기 입력(31)과 상기 분압기(30)의 상기 제1 출력(32) 사이에는 상기 제1 저항(R1)이 배치되고, 상기 분압기(30)의 상기 입력(31)과 상기 분압기(30)의 상기 제2 출력(33) 사이에는 상기 제1 저항(R1) 및 상기 제2 저항(R2)이 배치되는 것을 특징으로 하는, 전자 장치(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 장치(1)는 상기 광 검출기(10)의 상기 양극 단자(11) 및 상기 바이어스 전압 단자(50)와 전기적으로 연결되는 접지 단자(60)를 더 포함하고, 특히 상기 분압기(30)의 상기 제2 출력(33)은 상기 접지 단자(60)와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 전자 장치(1).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연산 증폭기(20)의 상기 출력(23)과 상기 바이어스 전압 단자(50) 사이의 출력 전압은 상기 광 검출기(10)에 인가되는 전류에 따라 결정될 수 있고/있거나 탭핑될 수 있는 것을 특징으로 하는, 전자 장치(1).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 검출기(10)는 광 다이오드인 것을 특징으로 하는, 전자 장치(1).
  13. 광 가스 센서(100)로서, 가스를 수용하는 측정 셀(110); 및 상기 측정 셀(110) 방향으로 방사선을 방출하는 방사선원(120)을 포함하는 광 가스 센서에 있어서, 상기 광 가스 센서(100)는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항을 따르는 전자 장치(1)를 더 포함하고, 상기 전자 장치(1)의 상기 광 검출기(10)는 상기 측정 셀(110)을 통과한 상기 방사선의 적어도 일부를 검출하도록 배열된 것을 특징으로 하는, 광 가스 센서.
  14. 온도 의존성을 고려하여 광전류를 결정하는 방법(200)으로서, 상기 방법(200)은 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 전자 장치(1) 및/또는 제13항에 따른 광 가스 센서(100)를 사용하여 수행되고, 상기 방법(200)은: 상기 바이어스 전압 단자(50)에 전압을 인가함으로써 상기 광 검출기(10)의 바이어스 전압을 제공하는 단계(S1); 상기 바이어스 전압이 제공될 때 상기 전자 장치(1) 및/또는 상기 광 가스 센서(100)의 제1 출력 전압을 결정하는 단계(S2) - 상기 광 검출기(10)는 방사선에 의해 조사되지 않고/않거나 방사선을 방출하는 방사선원(120)은 비활성화됨 -; 및 상기 바이어스 전압이 제공될 때 상기 전자 장치(1) 및/또는 상기 광 가스 센서(100)의 제2 출력 전압을 결정하는 단계(S3) - 상기 광 검출기(10)는 방사선에 의해 조사되고/되거나 상기 방사선원(120)은 활성화됨 - 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 방법(200)은 상기 광 가스 센서(100)를 사용하여 수행되고, 상기 측정 셀(110) 내의 가스 함량은 상기 제2 출력 전압과 제1 출력 전압의 차이에서 결정되는 것을 특징으로 하는, 방법(200).

Description

온도 의존성을 고려하여 광전류를 결정하는 전자 장치 및 방법, 및 광 가스 센서{ELECTRONIC ARRANGEMENT AND METHOD FOR DETERMINING PHOTOCURRENT TAKING INTO ACCOUNT TEMPERATURE DEPENDENCE, AND OPTICAL GAS SENSOR} 본 발명은 온도 의존성을 고려하여 광전류를 결정하는 전자 장치 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전자 장치가 있는 광 가스 센서에 관한 것이다. 선행 기술에, 광 가스 센서에 대해 광 검출기, 예를 들어 InSb 또는 InAsSb로 만들어진 광 다이오드를 사용하는 것이 공지되어 있다. 이러한 광 검출기는 가스에 의해 흡수되지 않는 광의 방사선 측정(및 이에 의해 예를 들어 가스의 이산화탄소 함량 결정)을 가능하게 할 뿐만 아니라, 추가로 각각의 광 검출기의 온도가 방사선 측정에 영향을 미치는 정도를 결정하는 것도 가능하게 한다. 이러한 결정은 각각의 방사선 측정의 온도 의존성을 보상하기 위해 필요하다. 예를 들어, 유럽 특허출원공개 EP 3 581 898 A1호는 광 다이오드 및 트랜스임피던스 증폭기를 포함하고, 선택적으로 광전류 측정 모드와 온도 측정 모드 간에 전환 가능한 전자 장치를 설명한다. 상기 장치에서, 광전류 측정 모드에서는 광 다이오드의 양극 단자가 트랜스임피던스 증폭기의 연산 증폭기의 제1 입력과 연결되고, 광 다이오드의 음극 단자는 연산 증폭기의 제2 입력과 연결되며, 제1 바이어스 전압 단자는 제1 입력 및 양극 단자와 연결된다. 온도 측정 모드에서는, 양극 단자는 전자 장치의 접지 단자와 연결되고, 음극 단자는 제2 입력과 연결되고, 제1 바이어스 전압 단자는 제1 입력과는 연결되고 양극 단자와는 분리된다. 광전류 측정 모드와 온도 측정 모드 사이에서 전환을 가능하게 하기 위해 유럽 특허출원공개 EP 3 581 898 A1호의 전자 장치는 세 개의 스위치를 포함한다. 광전류 측정 모드에서는, 세 개의 스위치 중 두 개가 닫혀서, 광 다이오드에 전압이 인가되지 않고 이에 따라 준단락(quasi short)에서 작동된다. 방사선을 검출하는 것만으로 광 다이오드의 광전류가 생성되며, 이는 트랜스임피던스 증폭기에 의해 증폭되어 전압으로 변환된다. 온도 측정 모드에서는, 앞서 닫힌 두 개의 스위치가 열리고 제3 스위치만 닫혀서, 광 다이오드에 걸쳐 바이어스 전압이 걸려, 이에 의해 방사선이 감지되지 않아도 온도 의존적 (역)전류가 흐른다. 이 전류는 감소된 이득 계수로 증폭된다. 여기서 이득이 감소되어야 하며, 이는 바이어스 전압 단자에 인가된 전압은 일반적으로 150 내지 200 mV이기 때문이다. 일반적으로 더 낮은 값은 직접 설정될 수 없다. 따라서, 증폭 후에 전류가 감지 가능한 범위, 예를 들어 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 디지털 방식으로 기록될 수 있는 범위에 있도록 이에 상응하게 이득이 감소되어야 한다. 그러나, 다양한 측정 모드 사이에서 능동적으로 전환하는 복수의 스위치를 구현하는 것은 예를 들어 결함 및/또는 마모 효과로 인한 오류원의 위험을 수반한다. 따라서, 적어도 가능한 오류원의 수가 감소되고, 온도 의존성을 고려하여 광전류를 결정할 수 있는, 특히 단순화된 전자 장치와 같은 개선된 해결책에 대한 요구가 여전히 존재한다. 이에 따라, 본 발명의 목적은, 광전류를 결정하는 개선되고 특히 단순화된 전자 장치를 제공하는 것으로, 본원의 장치를 통해 바람직하게는 공지된 해결책의 단점을 적어도 부분적으로 방지할 수 있으며, 예를 들어 광 검출기의 온도 의존성을 고려하여 광전류를 가능한 한 정확하고 안정적으로 결정할 수 있도록 보장된다. 이러한 목적은 독립 청구항들의 특징에 의해 달성된다. 바람직한 개선 실시예들은 종속항들 및 설명에서 제시된다. 본 발명의 제1 일반 양태에 따르면, 온도 의존성을 고려하여 광전류를 결정하는 전자 장치가 제공된다. 본원의 전자 장치는 양극 단자 및 음극 단자를 갖는 광 검출기를 포함한다. 본원의 전자 장치는 제1 입력, 제2 입력 및 출력을 갖는 (특히 전압 제어) 연산 증폭기를 포함한다. 광 검출기의 양극 단자와 연산 증폭기의 제1 입력은 (예를 들어 제2 경로를 통해) 전기적으로 서로 연결된다. 광 검출기의 음극 단자와 연산 증폭기의 제2 입력은 전기적으로 서로 연결된다. 본원의 전자 장치는 제1 경로를 통해 광 검출기의 양극 단자 및 연산 증폭기의 제1 입력과 전기적으로 연결된 바이어스 전압 단자를 포함한다. 본원의 전자 장치는 제1 경로 내에서 광 검출기의 양극 단자와 바이어스 전압 단자 사이에 배치된 분압기를 포함한다. 본 개시내용의 범위에서, 광 검출기 및/또는 광센서라고도 하는 광 검출기는 내부 광전 효과를 기반으로 방사선을 전기 신호로 변환하는 전자 소자로 이해해야 한다. 이러한 전기 신호는 광전류 및/또는 광신호라고도 한다. 따라서, 광 검출기는 방사선 측정 소자이며, 방사선은 가시광선일 뿐만 아니라 적외선 및 자외선일 수도 있다. 예를 들어, 광 검출기는 광 다이오드, 즉 p-n 접합 또는 pin 접합에서 내부 광전 효과를 기초로 방사선을 전기 전류, 즉 광전류로 변환하는 반도체 다이오드일 수 있다. 광 검출기에 대해, 광 검출기에 닿는 방사선을 감지하는 수많은 적용 방법을 생각할 수 있다. 예를 들어, 광 검출기 또는 전자 장치를 사용하여, 광 검출기 주변의 특정 가스, 예를 들어 이산화탄소의 가스 함량을 결정할 수 있다. 이를 위해 방사선원이 활성화되어 방사선이 광 검출기 방향으로 방출될 수 있고, 이때 검사될 가스는 방사선원과 광 검출기 사이에 위치한다. 가스 함량, 예를 들어 가스 농도는 예상 방사선 강도(즉 예상 광전류)와 관련하여 광 검출기에 의해 감지된 방사선 강도(즉 생성된 광전류)를 기반으로 결정될 수 있고, 광 검출기에 도달하지 않은 방사선 분율은 가스에 의해 흡수되거나 굴절된 것이다. 따라서 본원의 전자 장치는 예를 들어 가스 센서의 일부로 설계될 수 있다. 광 검출기의 조사(irradiation)와 상관없이, 광 검출기를 통과하여 흐르는 (역)전류는 바이어스 전압의 인가에 의해 생성될 수 있다. 본원에서, 이러한 바이어스 전압은 제1 경로를 통해 바이어스 전압 단자에 제공된 전압을 통해 생성된다. 이러한 (역)전류 또는 바이어스 전압은 온도 의존성이며, 따라서 이를 사용하여 광 검출기 또는 광 검출기를 통과하여 흐르는 전류에 미치는 온도 영향을 결정할 수 있다. 예를 들어, 이는 바이어스 전압 단자에 전압을 인가하고 광 검출기의 출력 전압을 측정함으로써 이루어지며, 이때 광 검출기 자체는 방사선을 감지하지 않거나 조사되지 않는다. 본 개시내용의 범위에서, 연산 증폭기는 예를 들어 매우 높은 이득 계수를 갖는 DC 결합 증폭기로 이해해야 한다. 따라서, 연산 증폭기는 두 입력 전압의 편차를 기록하고 이 편차를 증폭하여 기준 전위 또는 접지와 관련된 출력 전압으로 방출하는 전자 소자이다. 따라서, 연산 증폭기의 입력은 예를 들어 고옴(high-ohm)이고 연산 증폭기의 출력은 저옴(low-ohm)이다. 본원에서, 연산 증폭기의 제1 입력 전압은 바이어스 전압 단자를 통해 제1 입력에 제공되고, 제2 입력 전압은 광 검출기를 통해 연산 증폭기의 제2 입력에 제공된다. 따라서, 연산 증폭기는 특히, 광 검출기를 통해 제공된 입력 전압에 따라 좌우되는 출력 전압을 제공하고, 이를 이득 계수로 증폭하도록 설계된다. 이에 의해, 예를 들어, 광 검출기의 조사에 의해 생성된 광전류가 이에 상응하게 증폭될 수 있고, 연산 증폭기의 출력에서 전류 및/또는 전압 측정기에 의해 검출될 수 있다. 본 개시내용의 범위에서, 분압기는 분압기의 입력 전압의 분율인 적어도 하나의 출력 전압을 생성하도록 설계된 전기 소자로 이해해야 한다. 이 경우, 분압기는 입력 전압을 복수의 부분 전압으로 분할하며, 이는 분압기(또는 분압기의 출력)에서 출력 전압으로 탭핑(tapping)될 수 있다. 예를 들어, 분압기는 두 개 이상의 저항으로 구성된 직렬 회로로 구현될 수 있고, 이때 저항들 사이에서 적어도 하나의 부분 전압이 탭핑될 수 있다. 본 경우에, 분압기는 특히 목적에 부합하게 (분압기의 출력 전압으로) 광 검출기의 바이어스 전압을 생성하여 제공하도록 설계되며, 이 바이어스 전압은 (분압기의 입력 전압으로서) 바이어스 전압 단자에 인가된 전압의 분율 또는 일부 전압이다. 본 개시내용의 범위에서, 경로, 예를 들어 제1 경로는 두 개 이상의 단자 사이의 적합한 전기 연결 또는 적합한 전기 도체로 이해할 수 있다. 따라서, 경로는 전기 연결부 및/또는 전기 도체라고도 할 수 있다. 경로는 복수의 하위 경로를 가질 수 있고, 각각 적어도 하나의 전기 소자가 복수의 하위 경로 중 두 개의 하위 경로 사이에 배치될 수 있으므로, 예를 들어 분압기가 제1 경로 내에 배치될 수 있다. 본 개시내용의 범위에서, 저항은 바람직하게는 변하지 않는 하나의 옴 저항을 갖는 전자 소자로 이해된다. 본 발명에 따른 전술한 전자 장치는 일련의 장점을 제공한다. 예를 들어, 본원의 분압기가 구현되면, 광 검출기가 조사될 때 생성되는 광 전류 및 광 검출기의 온도 의존성을 검사하기 위해 바이어스 전압이 인가될 때 광 검출기가 조사되지 않고도 결정될 수 있는 (역)전류(정지 전류라고도 함)가 하나의 동일한 측정 모드에서 결정될 수 있게 한다. 즉, 온도와 광전류를 복합적으로 공통된 측정 모드에서 측정할 수 있으므로, 스위치가 필요하지 않다. 예를 들어, 본 발명이 개발될 때, 다행히 놀랍게도, 다양한 검출기 유형의 광 검출기의 온도 의존성은 인가된 바이어스 전압에 질적으로 독립적이라는 것, 즉 역전류의 온도 거동은 인가된 (바이어스) 전압에 질적으로 독립적이라는 것이 드러났다. 또한, 광 검출기는 특히 바이어스 전압이 낮을 때에 옴 저항처럼 거동하므로 선형적인 거동을 보이며, 즉 각각의 광 검출기를 통해 흐르는 (역)전류는 본질적으로 바이어스 전압에 대해 선형이다. 광 검출기의 특수 구조로 인한 비선형성은 바이어스 전압이 10 V보다 높을 때, 특히 12 V 범위일 때 (예를 들어 곡선에서 계단 또는 점프 형태로) 나타난다. 또