CN106908558A - 电导率探测器和包括其的离子色谱系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供电导率探测器和包括其的离子色谱系统。该电导率探测器包括流动通道、电极布置和探测器。流动通道具有管形状，该管形状具有包括离子组分的溶液流动通过其的通道直径。电极布置在流动通道上并且包括至少一阳极和至少一阴极。阳极和阴极间隔开小于或等于通道直径的电极间隙。探测器连接到电极布置以探测离子组分的电导率。

Description

电导率探测器和包括其的离子色谱系统

技术领域

在此描述的一个或多个实施方式涉及电导率探测器和包括电导率探测器的离子色谱系统。

背景技术

超纯水(UPW)已经被用于半导体器件的各种制造工艺。当使用UPW时，杂质的离子浓度已经成为焦点并因此经常受到小心的监视，尤其在小尺寸的高度集成半导体器件的制造期间。

用于UPW监视的一种方法涉及使用离子色谱执行组分分析。离子色谱可以通过在分离柱中分离UPW中的离子组分而执行。然后，每个离子组分的电导率通过电导率探测器被探测。之后，基于对于每个离子组分的探测到的电导率执行定性分析和定量分析。

电导率探测器可以从处于十亿分率(ppb)的最大浓度程度的UPW探测离子组分。因此，从具有低于某程度的ppb或处于万亿分率(ppt)的程度的浓度的UPW探测离子组分可能是不准确的。当UPW的浓度非常小(例如，低于某个水平的ppb)时，更大的UPW样品可以提供到电导率探测器以图增加探测准确性。然而，提供更大的UPW样品增加进行电导率探测的时间和成本。

发明内容

根据一个或多个实施方式，一种电导率探测器包括：流动通道，具有管形状，该管形状具有包括离子组分的溶液流动通过其的通道直径；在流动通道上的电极布置，电极布置包括间隔开电极间隙的至少一阳极和至少一阴极，该电极间隙小于或等于通道直径；和探测器，连接到电极布置以探测离子组分的电导率。

流动通道可以包括：入口，被阳极围绕并且溶液流动到其中；出口，被阴极围绕并且溶液从其流出；和流动单元，在入口和出口之间并且溶液穿过该流动单元以提供从入口到出口的离子流。电极间隙可以基本上是通道直径的0.3至1.0倍。入口、出口和流动单元可以具有基本上相同的直径，使得流动通道具有沿着离子流的流动路径的一致的通道直径。

探测器可以基于以下等式通过放大常数放大电导率：

其中k表示放大常数，D表示流动通道的通道直径，D_ref表示流动通道的参考直径，d表示电极间隙，γ_d表示电极间隙的减小比率，以及γ_D表示通道直径的增大比率。

入口和出口每个可以具有第一直径，流动单元可以具有大于第一直径的第二直径，使得流动单元具有比入口和出口的体积大的体积。电极间隙可以基本上在0.3mm至0.8mm的范围中，通道直径可以基本上在0.5mm至0.8mm的范围中。

电导率探测器可以包括在阳极和阴极之间的绝缘体，其中绝缘体具有围绕流动通道的管形状。电导率探测器可以包括补充电极，用于减小在电极处的极化。补充电极可以包括：第一电极，在流动通道上并且与阳极间隔开，和第二电极，在流动通道上并且与阴极间隔开。

在溶液中的离子组分可以包括正离子或负离子之一，溶液可以包括在其中溶解微量的离子组分的水溶液。正离子可以包括锂离子(Li⁺)、钠离子(Na⁺)、钾离子(K⁺)、或铵离子(NH₄ ⁺)中的一个，负离子可以包括氟离子(F^-)、氯离子(Cl^-)、溴离子(Br^-)、亚硝酸根离子(NO₂ ^-)、硝酸根离子(NO₃ ^-)、磷酸根离子(PO₄ ^3-)、硫酸根离子(SO₄ ^2-)、羧基(COOH^-)或有机酸中的一个。

根据一个或多个其他实施方式，一种离子色谱系统包括：样品供应器，用于供应样品溶液到洗脱液流中，由此产生在其中溶解一类型的多个离子组分的多组分溶液，该洗脱液是离子色谱的流动相；分离柱，从多组分溶液顺序地分离离子组分以产生具有单一类型的离子组分的单组分溶液，并且按时间顺序而顺序地排出多个单组分溶液；和电导率探测器，基于离子组分的电导率探测在单组分溶液中的离子组分的浓度。

电导率探测器包括：流动通道，具有管形状，该管形状具有单组分溶液流动穿过其的通道直径；电极布置，在流动通道上并且包括间隔开电极间隙的至少一阳极和至少一阴极，该电极间隙小于或等于通道直径；和探测器，连接到电极布置以探测在单组分溶液中的离子组分的电导率。

离子色谱系统可以包括：洗脱液供应器，具有洗脱液储存器以存储洗脱液，和输送泵，用于从洗脱液储存器输送洗脱液穿过分离柱和电导率探测器。

样品供应器可以包括：样品分配器，用于以恒定速度将固定分析量的样品溶液提供到样品回路；和自动注入器，将样品回路的样品溶液自动注入到洗脱液流动路径。

分离柱可以包括作为离子色谱的固定相的离子交换树脂，在多组分溶液中的离子组分根据离子组分的每个与离子交换树脂的树脂之间的键合强度而被顺序地分离。

流动通道可以包括：入口，被阳极围绕并且连接到分离柱，单组分溶液流入到分离柱中；出口，被阴极围绕并且单组分溶液穿过其流出；和流动单元，在入口和出口之间并且单组分溶液穿过该流动单元以提供从入口到出口的离子流。入口、出口和流动单元可以具有基本上相同的直径，使得流动通道具有沿着离子流的一致的通道直径。入口和出口每个可以具有第一直径，流动单元可以具有大于第一直径的第二直径，使得流动单元具有比入口和出口的体积大的体积。

离子色谱系统可以包括：抑制器，在分离柱和电导率探测器之间以去除具有与单组分溶液的离子组分相反的极性的噪声离子，抑制器用于从单组分溶液中的离子组分的电导率的信号去除噪声。

根据一个或多个其他实施方式，一种探测器包括：通道；在通道上的第一电极；和在通道上的第二电极，其中通道传送包括离子组分的溶液，其中在第一电极和第二电极之间的间隙小于或等于通道的横截面尺寸，其中第一和第二电极用于产生指示离子组分的电导率的探测信号，探测器的探测准确性基于第一电极与第二电极之间的间隙以及通道的横截面尺寸。改变间隙或横截面尺寸中至少一个可以改变离子组分的电导率。通道的横截面尺寸从通道的入口到出口可以是基本一致的。横截面尺寸可以是通道的直径。在第一电极和第二电极之间的间隙可以小于通道的横截面尺寸。

附图说明

通过参考附图详细描述示范实施方式，多个特征对本领域技术人员而言将变得明显，其中：

图1示出电导率探测器的实施方式；

图2示出电导率探测器的另一实施方式；

图3示出电导率探测器的另一实施方式；和

图4示出离子色谱系统的实施方式。

具体实施方式

现将在下文参考附图更充分地描述示例实施方式；然而，它们可以以不同的形式实现且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。而是，提供这些实施方式使得此公开彻底和完整，并将向本领域技术人员充分传达示范性的实施。实施方式可以组合以形成附加的实施方式。

在附图中，为了图示清楚可以夸大层和区域的尺寸。还将理解的是，当层或元件被称为“在”另一层或基板“上”时，它可以直接在另一层或基板上，或者也可以存在中间层。此外，将理解的是，当层被称为在另一层“下面”时，它可以直接在另一层下面，也可以存在一个或多个中间层。另外，还将理解的是，当层被称为在两个层“之间”时，它可以是该两个层之间唯一的层，也可以存在一个或多个中间层。相同的附图标记通篇涉及相同的元件。

可以理解当元件被称为在另一元件“上”、“连接到”、“电连接到”或“联接到”另一元件时，它可以直接在其他元件上、直接连接到、直接电连接到或直接联接到其他元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接”在另一元件“上”、“直接连接到”、“直接电连接到”或“直接联接到”另一元件时，则没有中间元件存在。如这里所用，术语“和/或”包括相关列举项目的一个或多个的任何和所有组合。

将理解的是，虽然术语第一、第二、第三等可以在此用来描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应该受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件、组件、区域、层、和/或部分与另一元件、组件、区域、层和/或部分。例如，第一元件、组件、区域、层和/或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层和/或部分而不脱离示例实施方式的教导。

为了便于描述，空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等可以用于此来描述一个组件和/或特征与另一组件和/或特征或其他多个组件和/或特征的如附图所示的关系。将理解的是空间相对术语旨在包含器件在使用或操作中的除在图中描绘的取向之外的不同取向。

在此使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的而不旨在限制示例实施方式。如这里所用，单数形式“一”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地指示另外的意思。将进一步理解的是当在此说明书中使用时术语“包括”和/或“包含”说明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组。

参考横截面图示在这里描述了示例实施例，该图示是理想示例实施例(和中间结构)的示意图。因此，可以预期由于例如制造技术和/或公差引起的图示的形状的变化。因此，示例实施例不应解释为限于这里所示的特别的区域形状，而是包括由于例如由制造引起的形状的偏离。例如，被示为矩形的注入区将通常具有修圆或弯曲的特征和/或在其边缘具有注入浓度的梯度而不是从注入区到非注入区的二元变化。相似地，由注入形成的埋入区可以引起埋入区和通过其进行注入的表面之间的区域中的某些注入。因此，图中示出的区域本质上是示意性的且它们的形状不旨在示出器件的区域的精确的形状且它们的形状不旨在限制示例实施方式的范围。

除非另有界定，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有示例实施方式属于的领域的普通技术人员共同理解的相同的意思。还可以理解诸如那些在共同使用的字典中定义的术语应解释为一种与在相关技术的背景中的它们的涵义一致的涵义，而不应解释为理想化或过度正式的意义，除非在这里明确地如此界定。

图1示出电导率探测器500的实施方式，该电导率探测器例如可以探测溶液中少量的离子组分。参考图1，电导率探测器500可以包括流动通道100、电极布置200和探测单元400。流动通道100具有用于传送具有离子组分I的溶液S的管形状，该管形状具有通道直径D。电极布置200在流动通道100的外表面上并具有间隔开电极间隙d的至少一阳极210和至少一阴极220，该电极间隙d小于通道直径D。探测单元400连接到电极布置200用于探测离子组分I的电导率。

流动通道100可以为具有离子组分I的溶液S提供流动路径，由于电信号与溶液S中的离子组分I的浓度成正比，所以可以探测穿过该流动路径的离子组分I。因此，离子组分I的电导率和浓度可以基于电信号确定。各种材料可以用于形成流动通道100，只要流动通道100具有用于探测电信号的足够的电导率和相对于包括离子组分I的溶液的足够的蚀刻抵抗性。

流动通道100可以包括由阳极210围绕并且溶液S流入其中的入口110、由阴极220围绕并且溶液S流动穿过其的出口130、以及在入口110和出口130之间并且溶液S从其穿过且由此提供从入口110到出口130的离子流的流动单元120。

溶液可以包括水溶液，其中少量或微量的离子组分I可以以低于十亿分率(ppb)的程度或处于万亿分率(ppt)的程度的浓度溶于超纯水(UPW)中。例如，溶液S中的离子组分可以包括正离子或负离子中的一个。正离子的示例包括锂离子(Li⁺)、钠离子(Na⁺)、钾离子(K⁺)、铵离子(NH₄ ⁺)和其组合。负离子的示例包括氟离子(F^-)、氯离子(Cl^-)、溴离子(Br^-)、亚硝酸根离子(NO₂ ^-)、硝酸根离子(NO₃ ^-)、磷酸根离子(PO₄ ^3-)、硫酸根离子(SO₄ ^2-)、羧基(COOH^-)、有机酸和其组合。

在本示例实施方式中，流动通道100可以是其中溶液S可以以基本稳态稳流(SSSF)流动穿过流动单元120的开放系统。

例如，入口110可以连接到分离柱，在该分离柱中某个类型的多个离子组分可以被分别地且顺序地分离。因此，具有单一类型的离子组分的溶液可以穿过入口110流入流动单元120中。溶液可以通过出口130从流动单元120流出并且流到例如废料槽、另一分离柱或另一分析装置中。当溶液具有多个类型的离子组分时，溶液可以以预定时间间隔通过入口110再次流到流动单元120中以将另一类型的离子组分分离。在一个示例实施方式中，入口110、流动单元120和出口130可具有相同的直径，所以流动通道100可具有沿着溶液的流动路径的均匀通道直径D。

电极布置200可以布置在流动通道100的外表面上。电极布置200的阳极210和阴极220可以间隔开小于通道直径D的电极间隙d。电极布置200可具有例如围绕管状的流动通道100的环形状。因此，流动通道100可以穿过环形的电极布置200。

在一个示例实施方式中，入口110的外表面可以被阳极210围绕，出口130的外表面可以被阴极220围绕。结果，流动单元120可以插置在阳极210和阴极220之间。流动单元120可具有例如盘形状，该盘形状具有大于电极间隙d的通道直径D。流动单元120的宽度可以例如对应于电极间隙d。

流动单元120可以被在阳极210和阴极220之间的绝缘体300围绕。因此，阳极210和阴极220可以彼此电分隔并且流动单元120可以在围绕物中被保护。

绝缘体可以包括例如聚醚醚酮(PEEK)和聚四氟乙烯(PTFE)。电极可以包括例如不锈钢和铂(Pt)之一。

由于阳极210和阴极220通过绝缘体300被分开并且布置在流动单元120的相应端部处，离子组分I通过流动单元120的流动可以被探测为电流。探测单元400可以连接到阳极210和阴极220以探测入口110和出口130之间的电压。此后，探测单元400可以分析电信号以确定在溶液S中离子组分I的电导率和浓度。

在示例实施方式中，探测单元400可以包括用于施加电力到电极布置200的电源410以及用于探测阳极210和阴极220之间的电压和电流强度的测量仪表420。

测量仪表420可以包括例如具有惠斯通电桥或放大电路的毫微伏特计(nanovoltmeter)和/或毫微安培计(nano ampere meter)。测量仪表420可以包括例如用于将离子组分I的探测的电导率转变成在大约25℃温度下的标准电导率的温度补偿电路。测量仪表420可具有基于电极布置200和流动通道100的结构的构造。

当电力施加到电极布置200时，离子组分I的电导率可以根据等式1通过探测单元400被探测。

其中C表示电导率，L表示离子组分的电导率，Kc表示电导率探测器500的单元常数。

由于溶液S流动穿过由电极布置200围绕的流动单元120，阳极210、流动单元120和阴极220可以用作连接到探测单元400的虚拟电路的单个电极。因此，离子组分I可以穿过流动通道100的横截面并且可以行进阳极210和阴极220之间的距离。例如，溶液S中的离子组分I可以沿着流动单元120移动对应于电极间隙d的距离。

因此，单元常数Kc可以由等式2表示。

其中A表示溶液S流动并由此离子组分I流动穿过的横截面，l表示阳极和阴极之间的间隙。

离子组分I的电导率可以根据等式3获得，该等式3基于等式1和2。

因此，溶液S中的离子组分I的电导率C可以与由流动通道100的通道直径D和阳极210与阴极220之间的电极间隙d确定的电导率探测器500的形状因子(form factor)成正比。因此，离子组分I的电导率C可以仅仅通过改变电导率探测器500的形状因子而被放大，电导率探测器500的形状因子可以仅仅通过改变通道直径D和电极间隙d而变化。

在根据本示例实施方式的电导率探测器500中探测的电导率C相对于由另一类型的电导率探测器探测的参考电导率C_ref的电导率之比k可以由等式4表示。

当电导率之比k超过1时，电导率C可以被放大多于参考电导率C_ref。另一个电导率探测器可以包括具有参考通道直径D_ref的参考流动通道，阳极和阴极可以在参考流动通道上间隔开参考间隙d_ref。因此，等式4中的电导率之比k可以表示放大常数，该放大常数确定由于电导率探测器500的形状或形式的改变导致的电导率的信号放大的数值。因此，电导率之比k也可以为了方便被称为放大常数。

因此，放大常数k可以与电导率探测器500中的电极间隙的减小比率γ_d和通道直径的增大比率γ_D成正比，如等式5所示。

因此，电极间隙d的减小和通道直径D的增大可以导致放大常数k的增大。因此，由于放大常数k与电极间隙d的减小比率γ_d成反比并且与通道直径D的增大比率γ_D的平方成正比，所以电导率可以仅通过减小比率γ_d和增大比率γ_D的适当组合而被充分探测，无论多么小量的离子组分可以在溶液S中。因此，超纯水(UPW)中的杂质离子可以被电导率探测器500充分探测，即使杂质离子的浓度可以低于ppb或ppt的程度。

改变通道直径D会需要把流动通道100换成另一流动通道并且还会需要相对高的电导率探测器500的维护成本。然而，改变电极间隙d可以仅需要改变阳极210和/或阴极220在流动通道100上的位置并因此涉及相对低的电导率探测器500的维护成本。

为此，放大常数k可以仅通过改变电极间隙d来控制，其可以实现而不改变根据本示例实施方式的流动通道100的通道直径D。例如，当电极间隙d减小为参考间隙d_ref的大约80％并因此电极间隙的减小比率γ_d可以是大约20％时，电导率C可以放大到参考电导率C_ref的大约1.25倍。因此，仅通过改变减小比率γ_d大约0.2之多，可以将放大常数k控制为1.25。然而，通过与减小比率γ_d一起改变通道直径D的增大比率γ_D，可以更精确地控制放大常数k。

在一个示例实施方式中，电极间隙d可以控制为小于流动通道100的通道直径D，使得电导率探测器500可具有盘形状。当其他类型的电导率探测器成形为圆柱形并且参考电极间隙大于参考通道直径时，电导率探测器500中的电极间隙d可以控制为小于或最大限度地等于通道直径D，由此充分放大电导率C。

例如，电极间隙d可以是通道直径D的大约0.3倍至大约1.0倍，更具体地，是通道直径D的大约0.4倍至大约0.6倍。在本示例实施方式中，通道直径D可以在大约0.5mm至大约0.8mm的范围并且电极间隙d可以在大约0.3mm至大约0.8mm的范围。当流动通道100具有大约0.5mm通道直径D时，电极间隙d可以控制为大约0.3mm至大约0.5mm。因此，电导率探测器500可具有盘形状。另外，当流动通道100用具有大约0.8mm通道直径D的新的流动通道代替时，电极间隙d也可以控制为大约0.3mm至大约0.8mm，由此提供盘形状的电导率探测器500而不管流动通道100的更换。

当本示例实施方式公开了通道直径D可以在大约0.5mm至大约0.8mm的范围改变并且电极间隙d可以在大约0.3mm至大约0.8mm的范围改变时，通道直径D和电极间隙d的任意其他变化范围可以是可容许的，只要通道直径D和电极间隙d充分满足关于考虑到电导率探测器500的构造和操作要求的期待的放大常数的等式5。

因此，无论在溶液S中离子组分I的浓度多么小，溶液S中的离子组分I的电导率也可以通过电导率探测器500被精确地探测而不增加溶液S。因此，具有低于ppb或处于ppb的浓度的超纯水(UPW)中的杂质离子可以仅通过改变阳极210和阴极220的位置被电导率探测器500充分地探测，而不增加被供应的UPW的量。

图2示出电导率探测器501的另一实施方式，其具有与图1中的电导率探测器500基本相同的结构，除了在流动通道上的补充电极之外。

参考图2，电导率探测器501包括用于减小或最小化在电极布置200处的极化的补充电极290。例如，补充电极290可以包括在流动通道100的外表面上并与阳极210间隔开的第一电极230和在流动通道100的外表面上并与阴极220间隔开的第二电极240。附加绝缘体310可以在第一电极230和阳极210之间以及在第二电极240和阴极220之间。因此，第一电极230和阳极210可以通过附加绝缘体310彼此电分隔，第二电极240和阴极220可以通过附加绝缘体310彼此电分隔。

补充电极290可具有围绕流动通道100的环形。流动通道100也可以穿过环形的补充电极290。在本示例实施方式中，电极布置200、绝缘体300、补充电极290和附加绝缘体310可以配置成单个环状结构，流动通道100可以穿过该单个环状结构。

当电力施加到电极布置200时，极化和氧化还原反应可以在溶液S和电极布置200之间的分界面处进行。结果，多个气泡可以在电极布置200的表面上产生。在电极布置200上的气泡可以限制在流动通道100和电极布置200之间的电流流动，由此减小探测单元400的探测效率。

在电导率探测器501中，电力可以施加到第一电极230和第二电极240，代替阳极210和阴极220，探测单元400还可以探测阳极210和阴极220之间的电压和/或电流。因此，在电极布置200和溶液S之间没有形成气泡，电导率可以被准确地探测而没有由极化带来的任何探测妨碍。因此，溶液S中的少量离子组分I(诸如UPW中的杂质离子)可以以足够高的准确度被准确地探测。

图3示出电导率探测器502的另一实施方式，其具有与图1中的电导率探测器500相同的结构，除了流动单元120的尺寸不同于入口110和出口130的尺寸之外。

参考图3，电导率探测器502包括变型的流动通道100a，其中流动单元120具有大于入口110和出口130的体积的体积。例如，入口110和出口130可具有管形状，该管形状具有第一通道直径D1。流动单元120可具有连接到入口110和出口130的管形状以及大于第一通道直径D1的第二通道直径D2。

当溶液S流入流动单元120中时流动速度可以在流动单元120中减小，并且当溶液S通过出口130从流动单元120流出时流动速度可以增大。因此，当溶液S穿过电导率探测器502时流动单元120中的离子组分I的数目可以增大。因为阳极210、流动单元120和阴极220可以提供为单个电极并且溶液S的流动速度可以由于体积膨胀而在流动单元120中减小，所以当离子组分I均匀地溶解在溶液S中时，与图1中的电导率探测器500的流动通道100相比较，溶液S中的离子组分I的平均数目可以增大。

因此，根据流动单元120中的离子组分I的数目增大，探测单元400的探测极限可以被提高。流动单元120中的离子组分I的数目可以通过流动单元120的体积膨胀而确定，流动单元120的体积膨胀可以基于第一通道直径D1和第二通道直径D2的直径比而改变。因此，仅通过控制第一通道直径D1和第二通道直径D2的直径比，可以在电导率探测器502中容易地提高探测极限。

在本示例实施方式中，第一通道直径D1可以在第二通道直径D2的大约50％至70％的范围。

虽然在本实施方式中离子组分溶于水溶液中(诸如UPW中的杂质离子)，但是考虑到离子组分和溶剂之间的电特性，其他溶剂也可以用于探测溶剂中的微量离子组分的电导率。

根据示例实施方式的电导率探测器，电导率探测器可以改变为盘形状，其中阳极和阴极之间的电极间隙可以小于流动通道的通道直径。结果，探测极限可以提高而没有对其的设计更改或仪器改变。例如，仅通过改变电导率探测器的形状因子可以以高准确度充分探测电导率，不管多么少量的离子组分I会在溶液S中。因此，超纯水(UPW)中的杂质离子可以被电导率探测器500充分探测，即使离子的浓度可能低于ppb或ppt的程度。

图4示出离子色谱系统2000的实施方式，离子色谱系统2000可以包括洗脱液供应器1100、样品供应器1200、分离柱1300、和电导率探测器1400。洗脱液供应器1100供应洗脱液E，洗脱液E可以是离子色谱的流动相。样品供应器1200供应样品溶液到洗脱液E流中，由此产生在其中可以溶解多个类型的离子组分的多组分溶液。分离柱1300顺序地从混合溶液分离离子组分由此产生具有单一类型的离子组分的单组分溶液并且按时间顺序顺序地排出多个单组分溶液。电导率探测器1400基于离子组分的电导率探测单组分溶液中的离子组分的浓度。

例如，洗脱液供应器可以包括存储洗脱液E的洗脱液储存器1110、从洗脱液储存器1100输送洗脱液E经过分离柱1300和电导率探测器1400的输送泵1120、和用于减小或最小化洗脱液E在分离柱1300中的阻止性能(damping characteristics)的除气构件1130。

洗脱液E可以用作离子色谱的流动相，使得多个离子组分可以从样品溶液溶解到洗脱液E中。因此，洗脱液E和样品溶液可以混合成多组分溶液，在该多组分溶液中某个类型的多个离子组分可以溶于离子色谱系统2000中。洗脱液E可具有用于在离子色谱系统2000中的良好流动性的低粘度和对于样品溶液的溶质的高溶解度。例如，洗脱液E可具有关于分离柱的基础材料的高化学稳定性，分离柱的基础材料可以用作离子色谱的固定相(stationary phase)。

一个或多个添加剂可以供应到UPW，用于增大对于分析样本的溶解度和可混性。另外，缓冲溶液可以被加入UPW，用于从分析样本分离离子组分。

输送泵1120可以产生用于从洗脱液储存器1110输送洗脱液E穿过分离柱1300和电导率探测器1400的压力，使得洗脱液E可以从洗脱液储存器1110充分到达电导率探测器1400。洗脱液E例如可以通过输送压力以恒定速度在离子色谱系统2000中移动。

除气构件1130可以包括布置在真空室1131中并连接到输送泵1120的隔膜管1132。包括气体组分的洗脱液E可以流入真空室1131中的隔膜管1132中。气体组分可以通过真空压力从真空室1131中的洗脱液E去除。因此，洗脱液E中的气体组分可以通过除气构件1130减小或最小化，由此减小或最小化洗脱液E在分离柱1300中的阻止性能。

虽然本示例实施方式公开了除气构件1130布置在输送泵1120和样品供应器1200之间，但是在至少一个示例实施方式中除气构件1130可以在洗脱液储存器1110和输送泵1120之间。

样品供应器1200可以包括保持样品溶液的样品回路1210、以恒定速度提供定量的样品溶液到样品回路1210的样品分配器1220、和将样品回路1210的样品溶液自动注入到洗脱液E的流动路径的自动注入器1230。例如，样品分配器1220可以包括蠕动泵，自动注入器1230可以包括多个保持端口1231和多端口阀系统，在多端口阀系统中样品回路1210中的样品溶液可以仅通过改变保持端口1231而被供应到洗脱液E。

在本示例实施方式中，样品溶液可以包括具有大于大约18MΩ的电阻的超纯水(UPW)。例如，当样品溶液包括在其中溶解多个杂质离子的UPW并且水或水溶液用作离子色谱系统2000的流动相时，离子色谱系统2000可以不装备有洗脱液供应器。在这种情况下，UPW可以供应到离子色谱系统2000，用于通过具有相对更少的元件的样品供应器1200探测UPW中的杂质离子的浓度。

例如，当包括用于半导体制造工艺的一个或多个溶剂的样品溶液诸如UPW供应到样品储存器用于探测其中的杂质离子时，样品分配器1220可以从样品储存器提取固定分析量的样品溶液并且可以提供该固定分析量到样品回路1210中。然后，提取的样品溶液可以从样品回路1210供应到自动注入器1230的保持端口1231，自动注入器1230可以以以下方式线性地移动或旋转预定单位：在其中可以保持分析量的样品溶液的保持端口1231可以与洗脱液E的流动路径对准。此后，保持端口1231的端口阀可以打开并且样品溶液可以与洗脱液E混合。

因此，样品溶液和洗脱液E可以混合到在其中可溶解某个类型的多个离子组分的多组分溶液中。例如，样品溶液中的各种离子组分可以与洗脱液E混合，多组分混合的溶液可以供应到分离柱1300。

具有不同保持体积的多个保持端口1231可以提供有自动注入器1230，样品溶液的分析量可以考虑到样品溶液中的离子组分的浓度程度而改变。在本示例实施方式中，保持端口1231可以提供有自动注入器1230。

在已经完成了样品溶液与洗脱液E的混合之后，多组分混合溶液可以供应到分离柱1300。离子组分可以在分离柱1300中根据每个离子组分的离子键以及固定相材料而被顺序地逐个分离。例如，分离柱1300可以包括布置在管状外壳中作为离子色谱的固定相的离子交换树脂1310以及用于控制分离柱1300中的溶液的温度均匀的温度控制器1320。

离子交换树脂1310可以被固定到外壳中并且可以对于穿过分离柱1300的洗脱液E物理和化学地稳定。因此，离子交换树脂1310可以用作离子色谱的固定相，而洗脱液E用作离子色谱的流动相。

当多组分溶液到达处于与洗脱液E的离子的平衡状态的离子交换树脂1310时，离子交换树脂1310中的化学平衡状态可以被打破并且多组分溶液中的离子组分可以键合到离子交换树脂1310的树脂。

由于洗脱液E可以通过输送泵1120被连续地供应到分离柱1300，所以离子组分与离子交换树脂1310的树脂的键合可以根据每个离子组分与固定相树脂的键合强度而被顺序地打破。因此，离子组分的结合强度越强，离子组分在分离柱1300中停留越久。因此，每个离子组分在分离柱1300中的保留时间(或停留时间)可以根据该键合强度而改变，随着保留时间过去，每个离子组分可以独立地从分离柱1300排出。

从离子交换树脂1310的固定相树脂分离的离子组分可以仍然溶于洗脱液E中并从分离柱1300排出。因此，多组分溶液在排出分离柱1300时可以变成在其中溶解单一类型离子组分的单组分溶液。因此，单组分溶液可以根据其中的每个离子组分的键合强度按时间顺序而顺序地从分离柱1300排出。

例如，温度控制器1320可以控制分离柱1300的内部温度处于均匀温度，使得多组分溶液、洗脱液E和单组分溶液在均匀温度下流动穿过分离柱1300。

电导率探测器1400可以探测单组分溶液中的离子组分的电导率，由此获得样品溶液的离子组分的浓度。电导率探测器1400可具有与图1至3中的电导率探测器500至502中任意一个相同的结构。

例如，电导率探测器1400可以包括：具有管形状和单组分溶液可以流动通过其的通道直径D的流动通道100；电极布置200，在流动通道100的外表面上并具有间隔开小于通道直径D的电极间隙d的至少一阳极210和至少一阴极220；以及连接到电极布置200的探测单元400，用于探测单组分溶液中的离子组分的电导率。

流动通道可以包括被阳极210围绕并连接到分离柱1300以及单组分溶液可以流入其中的入口110、被阴极220围绕并且单组分溶液可以通过其流出的出口130、和在入口110与出口130之间并且单组分溶液可以由其穿过的流动单元120，由此提供从入口110至出口130的离子流。

入口110、出口130和流动单元120可具有相同的直径，所以流动通道100可具有沿着离子流的一致的通道直径D。电导率探测器1400可具有以下构造的盘形状：阳极210和阴极220之间的电极间隙d小于通道直径D。因此，电导率探测器1400的单元常数Kc可以仅通过改变电极间隙和通道直径而减小。因此，被探测的信号可以被电导率探测器1400中的放大常数放大。结果，电导率探测器1400可以准确地探测离子组分的电导率，单组分溶液中的离子组分的浓度可以从探测的电导率获得。例如，UPW中的杂质离子可以被电导率探测器1400充分地探测，即使由于电导率探测器1400的小的单元常数Kc导致杂质离子的浓度可以低于ppb或ppt的程度。

如图3所示，入口110和出口130可具有第一直径D1，流动单元120可具有比第一直径D1大的第二直径D2。因此，流动单元120可具有比入口110和出口130的体积大的体积。因此，流动单元120中的离子组分的数目可以在单组分溶液流动穿过流动单元120时增大，由此增大电导率探测器1400的探测准确性。

另外，电导率探测器1400可以包括用于减小或最小化在电极布置200处的极化的补充电极290。如图2所示，补充电极290可以包括第一电极230和第二电极240。第一电极230布置在流动通道100的外表面上并与阳极210间隔开。第二电极240布置在流动通道100的外表面上并与阴极220间隔开。因此，否则可能由单组分溶液的极化所引起的气泡不出现在电极布置200和单组分溶液之间。

例如，电力410可以施加到补充电极290，而不施加到电极布置200。在此情况下，由溶液的极化所引起的气泡可以产生在单组分溶液与第一和第二电极230和240之间，并且在阳极210和阴极220处可以不产生气泡。因此，电导率可以被准确地探测而没有任何探测妨碍。例如，少量离子组分(诸如UPW中的杂质离子)可以以足够高的准确度被准确地探测。

离子组分的电导率或浓度可以通过每个离子组分被分类并且可以通过系统控制器1600可视地显示在显示装置上。

在本示例实施方式中，离子组分可以包括溶于UPW中作为杂质离子的正离子或负离子。因此，多组分溶液和单组分溶液可以包括离子组分可以溶解在其中的水溶液。正离子的示例包括锂离子(Li⁺)、钠离子(Na⁺)、钾离子(K⁺)、铵离子(NH₄ ⁺)和其组合中的一个。负离子的示例可以包括氟离子(F^-)、氯离子(Cl^-)、溴离子(Br^-)、亚硝酸根离子(NO₂ ^-)、硝酸根离子(NO₃ ^-)、磷酸根离子(PO₄ ^3-)、硫酸根离子(SO₄ ^2-)、羧基(COOH^-)、有机酸和其组合中的一个。

离子色谱系统2000可以还包括在分离柱1300和电导率探测器1400之间的抑制器1500，用于去除具有与单组分溶液的离子组分相反的极性的噪声离子。结果，噪声信号可以从与单组分溶液中的离子组分的电导率对应的信号去除。

当单组分溶液的离子组分包括正离子并且抑制器1500用羟基离子(OH^-)代替具有负极性的噪声离子时，噪声信号可以从与单组分溶液中的正离子组分的电导率对应的信号去除。相反，当单组分溶液的离子组分包括负离子并且抑制器用氢离子(H⁺)代替具有正极性的噪声离子时，噪声信号可以从与单组分溶液中的负离子组分的电导率对应的信号去除。

根据一个或多个前述实施方式，电导率探测器具有盘形状，并且探测器的阳极和阴极之间的电极间隙可以小于流动通道的通道直径。结果，单元常数Kc可以减小并且电导率探测器的探测准确性可以增大，而没有对其的设计更改或仪器改变。因此，仅通过改变电导率探测器的形状因子可以以高准确度充分探测电导率，不管多么少量的离子组分I在溶液S中。因此，超纯水(UPW)中的杂质离子可以被电导率探测器充分探测，即使杂质离子的浓度可能低于ppb或ppt的程度。

在此已经公开了实例实施方式，虽然采用了特定术语，但是它们仅以一般描述性含义使用和被解释，且不为了限制目的。在有些情况下，随着本申请的提交，对于本领域一般技术人员将明显的是，结合具体实施方式描述的特征、特性和/或元件可以单独使用或与结合其他实施方式描述的特征、特性和/或元件组合，除非另有陈述声明。因此，本领域的一般技术人员将理解，可以对实施方式进行形式和细节上的不同改变而没有脱离在权利要求中阐述的实施方式的精神和范围。

本申请要求于2015年10月20日向韩国专利局提交并且名称为“电导率探测器和包括其的离子色谱系统”的韩国专利申请第10-2015-0145888号的优先权，其全部内容通过引用结合在此。

Claims (25)

1.一种电导率探测器，包括：

流动通道，具有管形状，所述管形状具有包括离子组分的溶液流动通过其的通道直径；

在所述流动通道上的电极布置，所述电极布置包括间隔开电极间隙的至少一阳极和至少一阴极，所述电极间隙小于或等于所述通道直径；和

探测器，连接到所述电极布置以探测所述离子组分的电导率。

2.如权利要求1所述的电导率探测器，其中所述流动通道包括：

入口，被所述阳极围绕并且所述溶液流动到其中；

出口，被所述阴极围绕并且所述溶液从其流出；和

流动单元，在所述入口和所述出口之间并且所述溶液从该流动单元穿过以提供从所述入口到所述出口的离子流。

3.如权利要求2所述的电导率探测器，其中所述电极间隙是所述通道直径的0.3至1.0倍。

4.如权利要求2所述的电导率探测器，其中所述入口、所述出口和所述流动单元具有基本上相同的直径，使得所述流动通道具有沿着所述离子流的流动路径的一致的通道直径。

5.如权利要求4所述的电导率探测器，其中所述探测器基于以下等式通过放大常数放大所述电导率：

$k=\frac{{\left(\frac{D}{D_{ref}}\right)}^2}{\frac{d}{d_{ref}}}=\frac{{\mathrm{\γ}}_D^2}{{\mathrm{\γ}}_d}$

其中k表示所述放大常数，D表示所述流动通道的所述通道直径，D_ref表示所述流动通道的参考直径，d表示所述电极间隙，γ_d表示所述电极间隙的减小比率，以及γ_D表示所述通道直径的增大比率。

6.如权利要求2所述的电导率探测器，其中：

所述入口和所述出口每个具有第一直径，和

所述流动单元具有大于所述第一直径的第二直径，使得所述流动单元具有比所述入口和所述出口的体积大的体积。

7.如权利要求1所述的电导率探测器，其中：

所述电极间隙在0.3mm至0.8mm的范围中，和

所述通道直径在0.5mm至0.8mm的范围中。

8.如权利要求1所述的电导率探测器，还包括：

在所述阳极和所述阴极之间的绝缘体，

其中所述绝缘体具有围绕所述流动通道的管形状。

9.如权利要求1所述的电导率探测器，还包括：

补充电极，用于减小在所述电极处的极化。

10.如权利要求9所述的电导率探测器，其中所述补充电极包括：

第一电极，在所述流动通道上并且与所述阳极间隔开，和

第二电极，在所述流动通道上并且与所述阴极间隔开。

11.如权利要求1所述的电导率探测器，其中：

在所述溶液中的所述离子组分包括正离子或负离子之一，和

所述溶液包括在其中溶解微量的所述离子组分的水溶液。

12.如权利要求11所述的电导率探测器，其中：

所述正离子包括锂离子(Li⁺)、钠离子(Na⁺)、钾离子(K⁺)、或铵离子(NH₄ ⁺)中的一个，和

所述负离子包括氟离子(F^-)、氯离子(Cl^-)、溴离子(Br^-)、亚硝酸根离子(NO₂ ^-)、硝酸根离子(NO₃ ^-)、磷酸根离子(PO₄ ^3-)、硫酸根离子(SO₄ ^2-)、羧基(COOH^-)或有机酸中的一个。

13.一种离子色谱系统，包括：

样品供应器，用于供应样品溶液到洗脱液流中，由此产生在其中溶解一类型的多个离子组分的多组分溶液，该洗脱液是离子色谱的流动相；

分离柱，从所述多组分溶液顺序地分离所述离子组分以产生具有单一类型的所述离子组分的单组分溶液，并且按时间顺序而顺序地排出多个所述单组分溶液；和

电导率探测器，基于所述离子组分的电导率探测在所述单组分溶液中的所述离子组分的浓度，其中所述电导率探测器包括：

流动通道，具有管形状，所述管形状具有所述单组分溶液流动穿过其的通道直径，

电极布置，在所述流动通道上并且包括间隔开电极间隙的至少一阳极和至少一阴极，该电极间隙小于或等于所述通道直径，和

探测器，连接到所述电极布置以探测在所述单组分溶液中的所述离子组分的所述电导率。

14.如权利要求13所述的离子色谱系统，还包括：

洗脱液供应器，具有洗脱液储存器以存储所述洗脱液，和

输送泵，用于从所述洗脱液储存器输送所述洗脱液穿过所述分离柱和所述电导率探测器。

15.如权利要求13所述的离子色谱系统，其中所述样品供应器包括：

样品分配器，用于以恒定速度将固定分析量的所述样品溶液提供到样品回路，和

自动注入器，将所述样品回路的所述样品溶液自动注入到所述洗脱液的流动路径。

16.如权利要求13所述的离子色谱系统，其中所述分离柱包括：

作为所述离子色谱的固定相的离子交换树脂，在所述多组分溶液中的所述离子组分根据所述离子组分的每个与所述离子交换树脂的树脂之间的键合强度而被顺序地分离。

17.如权利要求13所述的离子色谱系统，其中所述流动通道包括：

入口，被所述阳极围绕并且连接到所述分离柱，所述单组分溶液流入到所述分离柱中，

出口，被所述阴极围绕并且所述单组分溶液穿过其流出，和

流动单元，在所述入口和所述出口之间并且所述单组分溶液穿过该流动单元以提供从所述入口到所述出口的离子流。

18.如权利要求17所述的离子色谱系统，其中所述入口、所述出口和所述流动单元具有基本相同的直径，使得所述流动通道具有沿着所述离子流的一致的通道直径。

19.如权利要求17所述的离子色谱系统，其中：

所述入口和所述出口每个具有第一直径，和

所述流动单元具有大于所述第一直径的第二直径，使得所述流动单元具有比所述入口和所述出口的体积大的体积。

20.如权利要求13所述的离子色谱系统，还包括：

抑制器，在所述分离柱和所述电导率探测器之间以去除具有与所述单组分溶液的所述离子组分相反的极性的噪声离子，所述抑制器用于从所述单组分溶液中的所述离子组分的所述电导率的信号去除噪声。

21.一种探测器，包括：

通道；

在所述通道上的第一电极；和

在所述通道上的第二电极，

其中所述通道传送包括离子组分的溶液，其中在所述第一电极和所述第二电极之间的间隙小于或等于所述通道的横截面尺寸，其中所述第一电极和所述第二电极用于产生指示所述离子组分的电导率的探测信号，所述探测器的探测准确性基于所述第一电极与所述第二电极之间的所述间隙以及所述通道的所述横截面尺寸。

22.如权利要求21所述的探测器，其中所述间隙或所述横截面尺寸中至少一个改变所述离子组分的所述电导率。

23.如权利要求21所述的探测器，其中所述通道的所述横截面尺寸从所述通道的入口到出口是基本一致的。

24.如权利要求21所述的探测器，其中所述横截面尺寸由所述通道的直径确定。

25.如权利要求21所述的探测器，其中在所述第一电极和所述第二电极之间的间隙小于所述通道的所述横截面尺寸。