臭氧濃度傳感器的制作方法

專利名稱：臭氧濃度傳感器的制作方法
臭氧濃度傳感器本申請是PCT國際申請號為PCT/US2005/007321、PCT國際申請日為2005年3月 7日、中國國家申請號為200580007897X的、題為“臭氧濃度傳感器”的發明專利申請的分案
申請° 發明領域本發明一般涉及用于材料分析的裝置和方法。本發明尤其涉及對臭氧化液體的臭 氧濃度的測量。
背景技術：
臭氧化水中的臭氧濃度通常經由吸收光譜學來測量。由于紫外(UV)和黃-紅光 帶與臭氧的吸收特性的良好匹配，所以它們適用于臭氧濃度的測量。UV哈特萊吸收光帶 (Hartley band)的峰值吸收約為黃-紅Chappius光帶的2000倍，所以使用UV源就能提供 比黃-紅源更高的測量靈敏度。但是UV源很昂貴且會產生不穩定的光強。因此，在不要求 極高靈敏度的情況下仍優選使用可見光。臭氧化水具有許多工業應用。在半導體制造工業中，例如，對由臭氧化水發生器產 生的臭氧化水的臭氧濃度的精確控制在器件制造中十分重要。用于測量這些發生器的臭氧 濃度的常用方法通常是緩慢的、容易出錯的和/或不方便的。例如，通過從發生器中采集臭 氧化水的樣本并使用基于吸收光譜學的分析設備對其進行測試就能夠測量臭氧濃度。于 是，就會因為采樣處理而導致測量誤差和延遲。光通過水時的異常散射會引入進一步的誤 差。這些例如由氣泡引起的散射會導致難以與由于臭氧吸收所致的光強損耗進行區分的光 強損耗。發明概述本發明涉及一種能夠改善用于液體成分屬性的吸收光譜法的測量準確度、便利性 和成本的裝置和方法。根據本發明的原理，測量準確度可通過校正除成分吸收效應之外由 其他因素所引起的亮度損耗來改善。本發明的一部分起因于對下述現象的認識，即異常吸 收能夠通過觀察沿著與第一輻射共享的路徑傳播并且其被吸收程度要小于第一輻射的第 二輻射來確定。由此，對第二輻射的亮度的測量可用于估計由于異常效應(諸如由液體中 氣泡引起的輻射散射)所引起的第一輻射的損耗的多少。本發明的一部分還起因于對下述現象的認識，即臭氧化水發生器的輸出管道能夠 被改進以允許對臭氧濃度的全流、實時(或者接近實時)的就地測量。如上所述，可以在期 望時使用反射將兩個光帶(即，輻射)引導通過該輸出管道的一部分以增加路程長度，從而 提高測量靈敏度。各光帶對于臭氧具有不同的吸收特性；臭氧吸收較少或無吸收的光帶提 供一參考信號。通過引導兩光帶沿著基本相同的路徑傳播，就能使用該參考信號來校正由 臭氧吸收以外的其他因素引起的第一光帶的亮度損耗。兩個光帶例如可由黃-紅發光二極管(LED)和藍光LED提供。一個或多個LED能 夠提供穩定的、低成本的光源。由此，通過對發生器的全流臭氧化水輸出進行直接的實時檢 查能以比某些現有方法更為精確且更低的成本來測量臭氧濃度。
因此，在第一方面，本發明涉及一種用于測量例如臭氧化水中的臭氧的液體成分 的裝置。該裝置可包括容納該液體的器皿、被配置成引導第一光帶和第二光帶沿著基本共 享的路徑傳播通過該液體的光源、以及光電傳感器。選擇該第一光帶和第二光帶，以使第一光帶的成分的吸收要大于由第二光帶的成 分的吸收。第二光帶提供一參考信號，以允許對從第一光帶中導出的測量進行校正。該光電傳感器感測該第一光帶和第二光帶。該光電傳感器包括一個或多個部件， 例如一個或多個光電二極管。該光電傳感器支持對光帶的亮度測量的。所測得的第一光帶 的亮度能夠提供對諸如成分濃度等成分屬性的測定。所測得的第二光帶亮度能夠提供一參 考信號以支持對屬性測定的糾錯。例如，液體可以是水，而成分可以是臭氧。器皿例如可以是臭氧化水輸送管道的一 部分。由此，該裝置能在臭氧化水從臭氧化水發生器流出時提供對臭氧化水中的臭氧濃度 的就地測量。臭氧化水發生器可以包括器皿作為發生器的臭氧化水輸送管道的一部分。于 是，該裝置能支持對由發生器產生的臭氧化水的實時測量，而無需從發生器中采集臭氧化 水樣本。光電傳感器的部件具有與第一光帶重疊的吸收光帶。例如，為了進行臭氧化水 測量，第一光帶可與黃_紅頻率和第一帶寬相關聯，而第二光帶則可與藍光頻率和第二 帶寬相關聯。藍光相對來說不被臭氧吸收。光源可以包括一個或多個LED，例如GaP上 GaAsP(GaAsP on GaP)LED。基本共享的路徑能由至少一個反射位置部分地定義以增加通過器皿內液體的路 徑長度，從而提高對液體成分的測量靈敏度。由此，具有緊致尺寸的器皿能提供相對較長的 路徑長度。除了成分吸收以外的其他因素也能導致第一和第二光帶通過液體時的亮度損耗 (這些因素包括，例如液體內的氣泡)。這樣，觀察到的第二光帶的亮度損耗可以提供對由 這些因素引起的第一光帶亮度損耗的指示。較佳地，第一和第二光帶的路徑基本被共享，以 便兩個光帶通過基本相同的液體。于是，第二光帶可通過基本與第一光帶相同的液體，和/ 或對與第一光帶基本相同的機械因素進行采樣。器皿可包括透明的、半透明的和/或不透明的材料。該裝置還可包括與該器皿鄰 接的涂層。器皿本身能提供反射位置。可選地，涂層也能反光。取決于對用于器皿和/或 涂層的材料的選擇，反射位置能夠產生鏡面反射或漫反射。該裝置還能包括第二光電傳感器。第二光電傳感器能夠支持例如對包括兩個LED 的光源的差異老化效應(differential aging effect)的檢測。該裝置還能包括溫度傳感 器和/或壓力傳感器。溫度和壓力測量能夠支持對從第一光帶亮度損耗確定的屬性進行進 一步的校正。在第二方面，本發明涉及一種用于根據本發明原理來測量液體成分的方法。該方 法包括選擇成分對其吸收要大于對第二光帶的吸收的第一光帶，感測沿著基本共享的路徑 通過液體的第一光帶和第二光帶，并且響應于所感測的第二光帶改進從所感測的第一光帶 確定的被測成分屬性，以提高被測屬性的準確度。臭氧的被測屬性可以是所感興趣的任何屬性，例如臭氧濃度。被測屬性能被改進 以校正被測濃度中由所感測的第一光帶的亮度損耗所引起的誤差，其中該損耗與除了由成分吸收之外(即，除了臭氧吸收之外)的一個或多個因素相關聯。否則這些亮度損耗就會 被曲解為由臭氧吸收所引起，而這又會導致被測濃度的錯誤的增大。引起亮度下降的因素例如可包括氣泡、基本共享的路徑的反射位置的反射率、液 體中的雜質、以及容納液體的器皿的機械尺寸。例如，器皿的反射率和/或尺寸的改變會導 致第一光帶的被測亮度的降低(或提高)。這一亮度降低(或提高)與臭氧吸收無關，但是 會被錯誤地解釋為臭氧吸收的增加(或下降)。附圖簡述本發明將在所附權利要求書中詳細描述。通過結合附圖參考以下描述，能更好地 理解本發明的上述和其他優點，附圖中

圖1是根據本發明的原理的用于測量液體成分的裝置的一個實施例的框圖；以及圖2是根據本發明的原理的用于測量液體組分的方法的一個實施例的流程圖。詳細描述定義——“臭氧化水發生器”是通過例如使用接觸器而將臭氧氣體引入水中以產 生臭氧化水的裝置。術語“光”指的是電磁輻射，包括紅外、可見、紫外和X光輻射。術語“光”和“輻射” 在此可互換使用。術語“光帶”與峰值頻率和例如半極大帶寬的帶寬相關聯。術語“器皿”是能容納液體的容器或容器的一部分。器皿例如可以是管道或管道 的一部分。圖1是根據本發明的原理的用于測量液體成分的裝置100的一個實施例的截面 圖。該裝置包括容納液體的器皿110、被配置成將第一光帶和第二光帶沿著基本共享的路徑 引導通過器皿中的液體的光源120、以及感測沿著該基本共享的路徑通過的第一光帶和第 二光帶的光電傳感器130。來自光源120的第一和第二光帶可被順序或同時發射。例如， 可發射第一光帶并由光電傳感器130檢測，隨后可發射第二光帶并由光電傳感器130檢測。 在其它實施例中，第一和第二光帶可由光源120同時發射。隨后可同時執行光電傳感器130 對這些光帶的檢測。各實施例還包括當由光源120同時發射兩個光帶時由光電傳感器130 對該光帶進行的順序檢測。選擇該第一光帶和第二光帶，使得要被測量的成分對第一光帶的吸收要大于對第 二光帶的吸收。第二光帶提供一參考信號，以校正從第一光帶中導出的測量。例如，液體可以是水，而成分可以是臭氧。器皿110則例如可以是用于臭氧化水的 輸送管道的一部分，以允許對臭氧的就地測量。由此，可通過使用器皿110作為臭氧化水發 生器的輸送管道的一部分來改進臭氧化水發生器。裝置100可以對發生器所產生臭氧化水 提供實時或接近實時的測量，而無需從發生器中采集臭氧化水樣本。要被測量的成分具有與第一光帶重疊的吸收光帶。例如，為了進行臭氧化水測量， 第一光帶可與黃_紅頻率和第一帶寬相關聯，而第二光帶則可與藍光頻率和第二帶寬相關 聯。黃-紅頻率例如可以是約584nm，而藍光頻率例如可以是約300nm。光源120由此可以 包括用于提供第一光帶的黃-紅LED 120a和用于提供第二光帶的藍LED 120b。黃-紅LED 120a例如可以是GAP上GaAsP (GaAsP-on-GaP) 二極管。該二極管的 黃-紅峰值波長輸出接近于臭氧對可見光的極大吸收。此外，相關聯的臭氧吸收光帶要寬于該二極管的黃-紅輸出帶寬。基本共享的路徑能由至少一個反射位置A來部分地定義，以增加通過器皿內液體 的路徑長度。裝置100的測量靈敏度可通過增加通過液體的路徑長度來提高。第一和第二光帶的路徑較佳地被基本共享，以使兩個光帶基本通過相同的液體。 如下將詳述的，觀察到的第二光帶亮度的變化可以提供關于已經對觀察到的第一光帶亮度 產生影響的非成分相關因素的效應的良好指示。器皿110可包括透明的、半透明的和/或不透明的材料。合適的材料例如可包括 石英、樹脂和/或諸如聚四氟乙烯(PTFE)和全氟烷氧基(PFA)等含氟聚合物。裝置100還 可包括與器皿鄰接的涂層150。器皿110本身也為光帶提供反射位置。可選地，涂層150也 能反光。取決于對用于器皿和/或涂層150材料的選擇，反射位置A能夠產生鏡面反射或 漫反射。例如，白色聚合物器皿110或帶有白紙涂層150的純石英器皿110可以提供漫反 射。使用產生漫反射的反射位置A可通過降低或消除對對準反射鏡型反射位置A的需求來 簡化裝置100的設計和制造。由此，器皿110能包括定義器皿在反射位置A處漫散射第一 和第二光帶的內表面的材料。可選地，可以允許光通過透明的器皿并從涂層150反射。光電傳感器130感測沿著基本共享的路徑通過的第一光帶和第二光帶。光電傳感 器130可包括，例如一個或多個硅光電二極管、光電晶體管、光電子倍增管或本領域內已知 的其他器件。如下所述，光電傳感器130支持對光帶的亮度測量。一個光電傳感器(例如， 130)能夠支持一個以上部件。例如，光電傳感器能包括兩個部件，并且每個部件都可以是光 電二極管。包括兩個光電二極管的光電傳感器能夠同時測量兩個不同光帶的亮度。被測的 第一光帶的亮度能夠提供對液體中的成分的諸如濃度等屬性的測定。被測的第二光帶的亮 度能夠提供一參考信號以支持對屬性測定的糾錯。裝置100還能包括第二光電傳感器140。可放置第二光電傳感器140以在第一光 帶和第二光帶至多沿基本共享的路徑的一部分通過之后感測該第一光帶和第二光帶。第二 光電傳感器140還可用于支持對例如LED 120a、120b的差異老化的檢測。這樣，例如就能 確定黃-紅LED 120a所輸出的光由于老化而導致的損耗，并通過增加提供給LED 120a的 電流以增加其輸出來進行校正。在某些實施例中，能夠順序或同時發射來自光源120的第一和第二光帶。如果它 們被同時發射，則可同時或順序地執行第二光電傳感器140對這些光帶中任一個的檢測。 例如，一個光帶可由光電傳感器130檢測，而另一個光帶可由第二光電傳感器140同時檢 測。此外，雖然僅描述了兩個光帶，但是也可以描述兩個以上光帶。如果光源120發射 了兩個以上光帶，則能使用光電傳感器130、140中的至少一個來同時檢測所感興趣的兩個 (或更多)光帶。順序檢測也能被同時(例如，使用兩個光電傳感器)或順序地(使用一個 或兩個光傳感器)執行。基于該描述，其他合適的組合對本領域普通技術人員來說將變得顯而易見。例如， 能夠使用其他光源構造。可以使用具有連續可調或離散可調的可調光波長輸出的單個光 源。隨后就可使用上述光電傳感器來檢測不同波長的光吸收。又一個實施例包括多個光源 和多個檢測器，其中每個傳感器都具有對應于這些光源中特定一個的光譜靈敏度。由此，第一光源(例如，第一光電二極管)發射第一光帶，并且與第一檢測器配對，而第二光源(例 如，第二光電二極管)發射第二光帶，并且與第二檢測器配對，等等。優選地，來自不同光源 的光帶的光程都基本相同。取決于測量應用的要求，可以使用兩個以上光源/光電傳感器 對。這些實施例中的檢測器例如可以是上述任何類型的光電傳感器130。裝置100還能包括至少一個溫度傳感器161和/或至少一個壓力傳感器162。由 傳感器161和162提供的溫度和壓力測量能夠支持對已從第一光帶的亮度損耗中確定的被 測屬性的進一步校正。在某些應用中，得到的結果會受到溫度和壓力的影響。在需要時，可 基于從溫度傳感器161和/或壓力傳感器162獲得的信息提供補償，從而得到更為精確的 屬性測量結果。圖2是根據本發明的原理的用于測量液體成分的方法200的一個實施例的流程 圖。方法200例如可使用圖1所示的裝置100來實現。方法200包括選擇該成分對其吸收 要大于對第二光帶的吸收的第一光帶(步驟210)，感測沿著基本共享的路徑通過該液體的 第一光帶和第二光帶(步驟220)，并且響應于所感測的第二光帶來改進從所感測的第一光 帶確定的成分的被測屬性，以提高被測屬性的準確度(步驟230)。液體可以是由例如臭氧化水發生器產生的臭氧化水。成分可以臭氧。本說明書中 其他部分引用水和臭氧作為液體和液體成分的示例。然而應該理解，本發明的原理也可應 用于其他液體和其他液體成分。臭氧的被測屬性可以是所感興趣的任何屬性，例如臭氧濃度。改進步驟(步驟 230)因此能包括校正被測濃度中由于所感測的第一光帶的亮度損耗所引起的誤差，其中該 損耗與除了成分吸收之外的一個或多個因素相關聯。否則這些亮度損耗就會被曲解為臭氧 吸收所引起的，這就會導致被測濃度的錯誤的增大。引起亮度下降的因素例如可包括氣泡、基本共享的路徑的反射位置的反射率的下 降、液體中的雜質以及容納液體的器皿的機械尺寸的變化。由這些因素引起的強度下降與 臭氧吸收無關，但是會被錯誤地解釋為由于臭氧濃度的增加而引起的臭氧吸收的增加。方 法200能包括使臭氧化水從臭氧化水發生器經器皿流入處理池，以允許對臭氧濃度的就地 測量(步驟240)。方法200還可包括沿著基本共享的路徑交替引導第一光帶和第二光帶(步驟 250)。在此情況下，第一光帶和第二光帶能被交替感測。第一和第二光帶還可以使用期間 基本上沒有光被引導通過基本共享的路徑的空白周期來交替。例如，在該空白周期中，能夠 觀察背景亮度。該背景亮度例如可以源于光電傳感器噪聲和/或由來自光源的除了有意沿 著共享路徑通過液體的光之外的其他光。背景亮度會增加第一光帶的視在感測亮度，從而導致濃度測量的誤差。由此，背景 測量允許進一步的校正以改善臭氧濃度測量的準確度。即，被測的臭氧濃度可以針對可能 會錯誤地降低視在臭氧濃度的背景亮度而進行校正。方法200可以包括感測至多沿該基本共享的路徑的一部分的第一光帶和第二光 帶中的至少一個，并且響應于第二光帶，響應性地維持第一光帶的發射亮度。于是，例如，如 上所述，能檢測LED光源的差異老化效應。如LED領域的普通技術人員所知，LED的光強輸 出對給定輸入電壓會由于老化而下降。此外，不同種類的LED也會呈現出不同的老化速率。雖然參考了具體的較佳實施例示出并描述了本發明，但是本領域普通技術人員應
8該認識到，可以在不脫離如所附權利要求書所定義的精神和范圍的前提下對本發明作出各 種形式上和細節上的改變。
權利要求
一種用于測量液體成分的裝置，所述裝置包括容納所述液體的器皿；光源，被配置成引導第一光帶和第二光帶沿著基本共享的路徑通過所述器皿內的液體，其中所述成分具有的與所述第一光帶相關聯的吸收要大于與所述第二光帶相關聯的吸收；以及光電傳感器，感測沿著所述基本共享的路徑通過的所述第一光帶和所述第二光帶。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述液體包括臭氧化水，而所述成分是臭氧。
3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述器皿包括用于所述臭氧化水的輸送管 道，以允許對所述臭氧的就地測量。
4.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述第一光帶與黃_紅頻率和第一帶寬相關 聯，而所述第二光帶與藍光頻率和第二帶寬相關聯。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述光源包括提供所述第一光帶的黃-紅發 光二極管、以及提供所述第二光帶的藍發光二極管。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，還包括第二光電傳感器，所述第二光電傳感 器在所述第一光帶和第二光帶沿所述基本共享的路徑的至多一部分通過之后感測所述第 一光帶和所述第二光帶，以檢測所述發光二極管的差異老化。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述基本共享的路徑由至少一個反射位置 來部分定義，以增加通過所述器皿內的液體的路徑長度，從而增加對所述液體內的成分的 測量靈敏度。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述器皿包括一材料，所述材料定義所述器 皿的內表面，所述內表面在所述至少一個反射位置上漫散射所述第一和第二光帶。
9.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，還包括在所述器皿外表面上的涂層，用于在 所述至少一個反射位置上提供對所述第一和第二光帶的漫散射。
10.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述成分具有與所述第一光帶重疊的吸收市o
11.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光源包括發光二極管。
12.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述器皿包括從石英和聚合物的組中選出 的材料。
13.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光電傳感器在所述第一光帶和所述第 二光帶沿著所述基本共享的路徑通過之后感測所述第一光帶和所述第二光帶。
14.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光電傳感器在所述第一光帶和所述第 二光帶沿著所述基本共享的路徑通過時感測所述第一光帶和所述第二光帶。
15.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用于測量所述器皿內的液體溫度的 溫度傳感器以及用于測量所述器皿內的液體壓力的壓力傳感器中的至少一個。
16.一種臭氧化水發生器，包括 接觸器，用于混合水和臭氧氣體；管道，與所述接觸器液體連通以將臭氧化水輸送至處理池；光源，被配置成引導第一光帶和第二光帶沿著基本共享的路徑通過所述管道內的液體，其中所述臭氧化水的成分與所述第一光帶相關聯的吸收要大于與所述第二光帶相關聯 的吸收；以及光電傳感器，在所述第一光帶和所述第二光帶沿著所述基本的共享路徑通過之后感測 所述第一光帶和所述第二光帶。
17.一種用于測量液體成分的方法，所述方法包括選擇第一光帶，所述成分對所述第一光帶的吸收要大于對第二光帶的吸收； 在所述第一光帶和所述第二光帶沿基本共享的路徑通過所述液體之后感測所述第一 光帶和第二光帶；以及響應于所感測的第二光帶，修改從所感測的第一光帶確定的成分的被測屬性，以提高 所述被測屬性的準確度。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述修改包括校正所述被測屬性中所感 知的第一光帶的亮度損耗，其中所述亮度損耗與除了所述成分吸收之外的至少一個因素相 關聯。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一個因素包括氣泡、所述基本共 享的路徑的反射位置的反射率、所述液體中的雜質以及容納所述液體的器皿的機械尺寸中 的至少一個。
20.如權利要求17所述的方法，其特征在于，還包括在器皿內提供所述基本共享的路徑。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述基本共享的路徑由至少一個反射位 置來部分定義，以增加所述器皿內所述基本共享的路徑的長度。
22.如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述液體是臭氧化水，并且還包括使所述 臭氧化水從臭氧化水發生器經所述器皿流入處理池，以允許對所述臭氧濃度的就地測量。
23.如權利要求17所述的方法，其特征在于，還包括沿著所述基本共享的路徑交替引 導所述第一光帶和所述第二光帶，其中所述感測包括交替感測所述第一光帶和所述第二光市o
24.如權利要求22所述的方法，其特征在于，所述交替引導還包括交替地不引導沿所 述基本共享的路徑的光。
25.如權利要求22所述的方法，其特征在于，還包括感測沿所述基本共享的路徑的至 多一部分通過的所述第一光帶和所述第二光帶中的至少一個，并且響應性地維持所述第一 光帶和所述第二光帶中的至少一個的發射亮度。
26.一種用于產生具有期望的臭氧濃度的臭氧化水的方法，所述方法包括 選擇第一光帶，所述臭氧對所述第一光帶的吸收要大于對第二光帶的吸收； 在臭氧化水發生設備中產生臭氧化水；在所述臭氧化水從所述設備中流出之后，在所述第一光帶和所述第二光帶沿著所述基 本共享的路徑通過所述臭氧化水之后感測所述第一光帶和所述第二光帶；響應于所感測的第二光帶來修改從所感測的第一光帶確定的被測臭氧濃度，從而提高 所述被測臭氧濃度的準取度；以及調節所述設備的至少一個參數，直到所述被測臭氧濃度與所述期望的臭氧濃度基本匹配。
全文摘要
一種裝置和方法提供了對諸如臭氧化水中的臭氧等液體成分的測量。該裝置(100)包括容納液體的器皿(110)、被配置成引導第一光帶和第二光帶沿著基本共享的路徑通過該器皿內的液體的光源(120、120a、120b)、以及感測該第一光帶和第二光帶的光電傳感器(130)。該成分與第一光帶相關聯的吸收要大于與第二光帶相關聯的吸收。該方法包括響應于所感測的第二光帶而對該組分的被測屬性進行修改以改善被測屬性的準確度。
文檔編號G01N21/31GK101799405SQ20101012912
公開日2010年8月11日 申請日期2005年3月7日 優先權日2004年3月12日
發明者J·塞沃特, J·洛爾, J·菲特考, S·萊文, U·布拉默 申請人:Mks儀器股份有限公司