CN1930464B - 臭氧浓度传感器 - Google Patents
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Abstract
一种装置和方法提供了对诸如臭氧化水中的臭氧等液体成分的测量。该装置(100)包括容纳液体的器皿(110)、被配置成引导第一光带和第二光带沿着基本共享的路径通过该器皿内的液体的光源(120、120a、120b)、以及感测该第一光带和第二光带的光电传感器(130)。该成分与第一光带相关联的吸收要大于与第二光带相关联的吸收。该方法包括响应于所感测的第二光带而对该组分的被测属性进行修改以改善被测属性的准确度。
Description
发明领域
本发明一般涉及用于材料分析的装置和方法。本发明尤其涉及对臭氧化液体的臭氧浓度的测量。
发明背景
臭氧化水中的臭氧浓度通常经由吸收光谱学来测量。由于紫外(UV)和黄-红光带与臭氧的吸收特性的良好匹配，所以它们适用于臭氧浓度的测量。UV哈特莱吸收光带(Hartley band)的峰值吸收约为黄-红Chappius光带的2000倍，所以使用UV源就能提供比黄-红源更高的测量灵敏度。但是UV源很昂贵且会产生不稳定的光强。因此，在不要求极高灵敏度的情况下仍优选使用可见光。
臭氧化水具有许多工业应用。在半导体制造工业中，例如，对由臭氧化水发生器产生的臭氧化水的臭氧浓度的精确控制在器件制造中十分重要。用于测量这些发生器的臭氧浓度的常用方法通常是缓慢的、容易出错的和/或不方便的。例如，通过从发生器中采集臭氧化水的样本并使用基于吸收光谱学的分析设备对其进行测试就能够测量臭氧浓度。于是，就会因为采样处理而导致测量误差和延迟。光通过水时的异常散射会引入进一步的误差。这些例如由气泡引起的散射会导致难以与由于臭氧吸收所致的光强损耗进行区分的光强损耗。
发明概述
本发明涉及一种能够改善用于液体成分属性的吸收光谱法的测量准确度、便利性和成本的装置和方法。根据本发明的原理，测量准确度可通过校正除成分吸收效应之外由其他因素所引起的亮度损耗来改善。本发明的一部分起因于对下述现象的认识，即异常吸收能够通过观察沿着与第一辐射共享的路径传播并且其被吸收程度要小于第一辐射的第二辐射来确定。由此，对第二辐射的亮度的测量可用于估计由于异常效应(诸如由液体中气泡引起的辐射散射)所引起的第一辐射的损耗的多少。
本发明的一部分还起因于对下述现象的认识，即臭氧化水发生器的输出管道能够被改进以允许对臭氧浓度的全流、实时(或者接近实时)的就地测量。如上所述，可以在期望时使用反射将两个光带(即，辐射)引导通过该输出管道的一部分以增加路程长度，从而提高测量灵敏度。各光带对于臭氧具有不同的吸收特性；臭氧吸收较少或无吸收的光带提供一参考信号。通过引导两光带沿着基本相同的路径传播，就能使用该参考信号来校正由臭氧吸收以外的其他因素引起的第一光带的亮度损耗。
两个光带例如可由黄-红发光二极管(LED)和蓝光LED提供。一个或多个LED能够提供稳定的、低成本的光源。由此，通过对发生器的全流臭氧化水输出进行直接的实时检查能以比某些现有方法更为精确且更低的成本来测量臭氧浓度。
因此，在第一方面，本发明涉及一种用于测量例如臭氧化水中的臭氧的液体成分的装置。该装置可包括容纳该液体的器皿、被配置成引导第一光带和第二光带沿着基本共享的路径传播通过该液体的光源、以及光电传感器。
选择该第一光带和第二光带，以使第一光带的成分的吸收要大于由第二光带的成分的吸收。第二光带提供一参考信号，以允许对从第一光带中导出的测量进行校正。
该光电传感器感测该第一光带和第二光带。该光电传感器包括一个或多个部件，例如一个或多个光电二极管。该光电传感器支持对光带的亮度测量的。所测得的第一光带的亮度能够提供对诸如成分浓度等成分属性的测定。所测得的第二光带亮度能够提供一参考信号以支持对属性测定的纠错。
例如，液体可以是水，而成分可以是臭氧。器皿例如可以是臭氧化水输送管道的一部分。由此，该装置能在臭氧化水从臭氧化水发生器流出时提供对臭氧化水中的臭氧浓度的就地测量。臭氧化水发生器可以包括器皿作为发生器的臭氧化水输送管道的一部分。于是，该装置能支持对由发生器产生的臭氧化水的实时测量，而无需从发生器中采集臭氧化水样本。
光电传感器的部件具有与第一光带重叠的吸收光带。例如，为了进行臭氧化水测量，第一光带可与黄-红频率和第一带宽相关联，而第二光带则可与蓝光频率和第二带宽相关联。蓝光相对来说不被臭氧吸收。光源可以包括一个或多个LED，例如GaP上GaAsP(GaAsP on GaP)LED。
基本共享的路径能由至少一个反射位置部分地定义以增加通过器皿内液体的路径长度，从而提高对液体成分的测量灵敏度。由此，具有紧致尺寸的器皿能提供相对较长的路径长度。
除了成分吸收以外的其他因素也能导致第一和第二光带通过液体时的亮度损耗(这些因素包括，例如液体内的气泡)。这样，观察到的第二光带的亮度损耗可以提供对由这些因素引起的第一光带亮度损耗的指示。较佳地，第一和第二光带的路径基本被共享，以便两个光带通过基本相同的液体。于是，第二光带可通过基本与第一光带相同的液体，和/或对与第一光带基本相同的机械因素进行采样。
器皿可包括透明的、半透明的和/或不透明的材料。该装置还可包括与该器皿邻接的涂层。器皿本身能提供反射位置。可选地，涂层也能反光。取决于对用于器皿和/或涂层的材料的选择，反射位置能够产生镜面反射或漫反射。
该装置还能包括第二光电传感器。第二光电传感器能够支持例如对包括两个LED的光源的差异老化效应(differential aging effect)的检测。该装置还能包括温度传感器和/或压力传感器。温度和压力测量能够支持对从第一光带亮度损耗确定的属性进行进一步的校正。
在第二方面，本发明涉及一种用于根据本发明原理来测量液体成分的方法。该方法包括选择成分对其吸收要大于对第二光带的吸收的第一光带，感测沿着基本共享的路径通过液体的第一光带和第二光带，并且响应于所感测的第二光带改进从所感测的第一光带确定的被测成分属性，以提高被测属性的准确度。
臭氧的被测属性可以是所感兴趣的任何属性，例如臭氧浓度。被测属性能被改进以校正被测浓度中由所感测的第一光带的亮度损耗所引起的误差，其中该损耗与除了由成分吸收之外(即，除了臭氧吸收之外)的一个或多个因素相关联。否则这些亮度损耗就会被曲解为由臭氧吸收所引起，而这又会导致被测浓度的错误的增大。
引起亮度下降的因素例如可包括气泡、基本共享的路径的反射位置的反射率、液体中的杂质、以及容纳液体的器皿的机械尺寸。例如，器皿的反射率和/或尺寸的改变会导致第一光带的被测亮度的降低(或提高)。这一亮度降低(或提高)与臭氧吸收无关，但是会被错误地解释为臭氧吸收的增加(或下降)。
附图简述
本发明将在所附权利要求书中详细描述。通过结合附图参考以下描述，能更好地理解本发明的上述和其他优点，附图中：
图1是根据本发明的原理的用于测量液体成分的装置的一个实施例的框图；以及
图2是根据本发明的原理的用于测量液体组分的方法的一个实施例的流程图。
详细描述
定义——“臭氧化水发生器”是通过例如使用接触器而将臭氧气体引入水中以产生臭氧化水的装置。
术语“光”指的是电磁辐射，包括红外、可见、紫外和X光辐射。术语“光”和“辐射”在此可互换使用。
术语“光带”与峰值频率和例如半极大带宽的带宽相关联。
术语“器皿”是能容纳液体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。
图1是根据本发明的原理的用于测量液体成分的装置100的一个实施例的截面图。该装置包括容纳液体的器皿110、被配置成将第一光带和第二光带沿着基本共享的路径引导通过器皿中的液体的光源120、以及感测沿着该基本共享的路径通过的第一光带和第二光带的光电传感器130。来自光源120的第一和第二光带可被顺序或同时发射。例如，可发射第一光带并由光电传感器130检测，随后可发射第二光带并由光电传感器130检测。在其它实施例中，第一和第二光带可由光源120同时发射。随后可同时执行光电传感器130对这些光带的检测。各实施例还包括当由光源120同时发射两个光带时由光电传感器130对该光带进行的顺序检测。
选择该第一光带和第二光带，使得要被测量的成分对第一光带的吸收要大于对第二光带的吸收。第二光带提供一参考信号，以校正从第一光带中导出的测量。
例如，液体可以是水，而成分可以是臭氧。器皿110则例如可以是用于臭氧化水的输送管道的一部分，以允许对臭氧的就地测量。由此，可通过使用器皿110作为臭氧化水发生器的输送管道的一部分来改进臭氧化水发生器。装置100可以对发生器所产生臭氧化水提供实时或接近实时的测量，而无需从发生器中采集臭氧化水样本。
要被测量的成分具有与第一光带重叠的吸收光带。例如，为了进行臭氧化水测量，第一光带可与黄-红频率和第一带宽相关联，而第二光带则可与蓝光频率和第二带宽相关联。黄-红频率例如可以是约584nm，而蓝光频率例如可以是约300nm。光源120由此可以包括用于提供第一光带的黄-红LED 120a和用于提供第二光带的蓝LED 120b。
黄-红LED 120a例如可以是GAP上GaAsP(GaAsP-on-GaP)二极管。该二极管的黄-红峰值波长输出接近于臭氧对可见光的极大吸收。此外，相关联的臭氧吸收光带要宽于该二极管的黄-红输出带宽。
基本共享的路径能由至少一个反射位置A来部分地定义，以增加通过器皿内液体的路径长度。装置100的测量灵敏度可通过增加通过液体的路径长度来提高。
第一和第二光带的路径较佳地被基本共享，以使两个光带基本通过相同的液体。如下将详述的，观察到的第二光带亮度的变化可以提供关于已经对观察到的第一光带亮度产生影响的非成分相关因素的效应的良好指示。
器皿110可包括透明的、半透明的和/或不透明的材料。合适的材料例如可包括石英、树脂和/或诸如聚四氟乙烯(PTFE)和全氟烷氧基(PFA)等含氟聚合物。装置100还可包括与器皿邻接的涂层150。器皿110本身也为光带提供反射位置。可选地，涂层150也能反光。
取决于对用于器皿和/或涂层150材料的选择，反射位置A能够产生镜面反射或漫反射。例如，白色聚合物器皿110或带有白纸涂层150的纯石英器皿110可以提供漫反射。使用产生漫反射的反射位置A可通过降低或消除对对准反射镜型反射位置A的需求来简化装置100的设计和制造。由此，器皿110能包括定义器皿在反射位置A处漫散射第一和第二光带的内表面的材料。可选地，可以允许光通过透明的器皿并从涂层150反射。
光电传感器130感测沿着基本共享的路径通过的第一光带和第二光带。光电传感器130可包括，例如一个或多个硅光电二极管、光电晶体管、光电子倍增管或本领域内已知的其他器件。如下所述，光电传感器130支持对光带的亮度测量。一个光电传感器(例如，130)能够支持一个以上部件。例如，光电传感器能包括两个部件，并且每个部件都可以是光电二极管。包括两个光电二极管的光电传感器能够同时测量两个不同光带的亮度。被测的第一光带的亮度能够提供对液体中的成分的诸如浓度等属性的测定。被测的第二光带的亮度能够提供一参考信号以支持对属性测定的纠错。
装置100还能包括第二光电传感器140。可放置第二光电传感器140以在第一光带和第二光带至多沿基本共享的路径的一部分通过之后感测该第一光带和第二光带。第二光电传感器140还可用于支持对例如LED 120a、120b的差异老化的检测。这样，例如就能确定黄-红LED 120a所输出的光由于老化而导致的损耗，并通过增加提供给LED 120a的电流以增加其输出来进行校正。
在某些实施例中，能够顺序或同时发射来自光源120的第一和第二光带。如果它们被同时发射，则可同时或顺序地执行第二光电传感器140对这些光带中任一个的检测。例如，一个光带可由光电传感器130检测，而另一个光带可由第二光电传感器140同时检测。
此外，虽然仅描述了两个光带，但是也可以描述两个以上光带。如果光源120发射了两个以上光带，则能使用光电传感器130、140中的至少一个来同时检测所感兴趣的两个(或更多)光带。顺序检测也能被同时(例如，使用两个光电传感器)或顺序地(使用一个或两个光传感器)执行。
基于该描述，其他合适的组合对本领域普通技术人员来说将变得显而易见。例如，能够使用其他光源构造。可以使用具有连续可调或离散可调的可调光波长输出的单个光源。随后就可使用上述光电传感器来检测不同波长的光吸收。又一个实施例包括多个光源和多个检测器，其中每个传感器都具有对应于这些光源中特定一个的光谱灵敏度。由此，第一光源(例如，第一光电二极管)发射第一光带，并且与第一检测器配对，而第二光源(例如，第二光电二极管)发射第二光带，并且与第二检测器配对，等等。优选地，来自不同光源的光带的光程都基本相同。取决于测量应用的要求，可以使用两个以上光源/光电传感器对。这些实施例中的检测器例如可以是上述任何类型的光电传感器130。
装置100还能包括至少一个温度传感器161和/或至少一个压力传感器162。由传感器161和162提供的温度和压力测量能够支持对已从第一光带的亮度损耗中确定的被测属性的进一步校正。在某些应用中，得到的结果会受到温度和压力的影响。在需要时，可基于从温度传感器161和/或压力传感器162获得的信息提供补偿，从而得到更为精确的属性测量结果。
图2是根据本发明的原理的用于测量液体成分的方法200的一个实施例的流程图。方法200例如可使用图1所示的装置100来实现。方法200包括选择该成分对其吸收要大于对第二光带的吸收的第一光带(步骤210)，感测沿着基本共享的路径通过该液体的第一光带和第二光带(步骤220)，并且响应于所感测的第二光带来改进从所感测的第一光带确定的成分的被测属性，以提高被测属性的准确度(步骤230)。
液体可以是由例如臭氧化水发生器产生的臭氧化水。成分可以臭氧。本说明书中其他部分引用水和臭氧作为液体和液体成分的示例。然而应该理解，本发明的原理也可应用于其他液体和其他液体成分。
臭氧的被测属性可以是所感兴趣的任何属性，例如臭氧浓度。改进步骤(步骤230)因此能包括校正被测浓度中由于所感测的第一光带的亮度损耗所引起的误差，其中该损耗与除了成分吸收之外的一个或多个因素相关联。否则这些亮度损耗就会被曲解为臭氧吸收所引起的，这就会导致被测浓度的错误的增大。
引起亮度下降的因素例如可包括气泡、基本共享的路径的反射位置的反射率的下降、液体中的杂质以及容纳液体的器皿的机械尺寸的变化。由这些因素引起的强度下降与臭氧吸收无关，但是会被错误地解释为由于臭氧浓度的增加而引起的臭氧吸收的增加。方法200能包括使臭氧化水从臭氧化水发生器经器皿流入处理池，以允许对臭氧浓度的就地测量(步骤240)。
方法200还可包括沿着基本共享的路径交替引导第一光带和第二光带(步骤250)。在此情况下，第一光带和第二光带能被交替感测。第一和第二光带还可以使用期间基本上没有光被引导通过基本共享的路径的空白周期来交替。例如，在该空白周期中，能够观察背景亮度。该背景亮度例如可以源于光电传感器噪声和/或由来自光源的除了有意沿着共享路径通过液体的光之外的其他光。
背景亮度会增加第一光带的视在感测亮度，从而导致浓度测量的误差。由此，背景测量允许进一步的校正以改善臭氧浓度测量的准确度。即，被测的臭氧浓度可以针对可能会错误地降低视在臭氧浓度的背景亮度而进行校正。
方法200可以包括感测至多沿该基本共享的路径的一部分的第一光带和第二光带中的至少一个，并且响应于第二光带，响应性地维持第一光带的发射亮度。于是，例如，如上所述，能检测LED光源的差异老化效应。如LED领域的普通技术人员所知，LED的光强输出对给定输入电压会由于老化而下降。此外，不同种类的LED也会呈现出不同的老化速率。
虽然参考了具体的较佳实施例示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该认识到，可以在不脱离如所附权利要求书所定义的精神和范围的前提下对本发明作出各种形式上和细节上的改变。
Claims (25)
1.一种用于测量臭氧浓度的装置，所述装置包括：
容纳臭氧化水的器皿；
光源，被配置成引导黄-红光带和蓝光带沿着基本共享的路径通过所述器皿内的臭氧化水，其中所述臭氧具有的与所述黄-红光带相关联的吸收要大于与所述蓝光带相关联的吸收；以及
光电传感器，感测沿着所述基本共享的路径通过的所述黄-红光带和所述蓝光带，以便测量臭氧化水中的臭氧的浓度。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述器皿包括用于所述臭氧化水的输送管道，以允许在将所述臭氧化水输送到处理池的过程中对所述臭氧化水中的臭氧进行就地测量。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述黄-红光带与黄-红频率和第一带宽相关联，而所述蓝光带与蓝光频率和第二带宽相关联。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光源包括提供所述黄-红光带的黄-红发光二极管、以及提供所述蓝光带的蓝发光二极管。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括第二光电传感器，所述第二光电传感器在所述黄-红光带和蓝光带沿所述基本共享的路径的至多一部分通过之后感测所述黄-红光带和所述蓝光带，以检测所述发光二极管的差异老化。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基本共享的路径由至少一个反射位置来部分定义，以增加通过所述器皿内的臭氧化水的路径长度，从而增加对所述臭氧化水内的臭氧的浓度的测量灵敏度。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述器皿包括一材料，所述材料定义所述器皿的内表面，所述内表面在所述至少一个反射位置上漫散射所述黄-红光带和蓝光带。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括在所述器皿外表面上的涂层，用于在所述至少一个反射位置上提供对所述黄-红光带和蓝光带的漫散射。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述臭氧化水中的臭氧的浓度具有与所述黄-红光带重叠的吸收带。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源包括发光二极管。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述器皿包括从石英和聚合物的组中选出的材料。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电传感器在所述黄-红光带和所述蓝光带沿着所述基本共享的路径通过之后感测所述黄-红光带和所述蓝光带。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电传感器在所述黄-红光带和所述蓝光带沿着所述基本共享的路径通过时感测所述黄-红光带和所述蓝光带。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于测量所述器皿内的臭氧化水的温度的温度传感器以及用于测量所述器皿内的臭氧化水的压力的压力传感器中的至少一个。
15.一种臭氧化水发生器，包括：
接触器，用于混合水和臭氧气体；
管道，与所述接触器液体连通以将臭氧化水输送至处理池；
光源，被配置成引导黄-红光带和蓝光带沿着基本共享的路径通过所述管道内的臭氧化水，其中所述臭氧化水的臭氧与所述黄-红光带相关联的吸收要大于与所述蓝光带相关联的吸收；以及
光电传感器，在所述黄-红光带和所述蓝光带沿着所述基本的共享路径通过之后感测所述黄-红光带和所述蓝光带。
16.一种用于测量臭氧化水中的臭氧的浓度的方法，所述方法包括：
选择黄-红光带，所述臭氧化水中的臭氧对所述黄-红光带的吸收要大于对蓝光带的吸收；
在所述黄-红光带和所述蓝光带沿基本共享的路径通过所述臭氧化水之后感测所述黄-红光带和蓝光带；以及
响应于所感测的蓝光带，修改从所感测的黄-红光带确定的臭氧化水中的臭氧的被测浓度，以提高所述被测浓度的准确度。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述修改包括：针对与除了所述臭氧化水中的臭氧吸收之外的至少一个因素相关联的所感测的黄-红光带的亮度损耗，来校正所述被测浓度。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述至少一个因素包括气泡、所述基本共享的路径的反射位置的反射率、所述臭氧化水中的杂质以及容纳所述臭氧化水的器皿的机械尺寸中的至少一个。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括在器皿内提供所述基本共享的路径。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述基本共享的路径由至少一个反射位置来部分定义，以增加所述器皿内所述基本共享的路径的长度。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括使所述臭氧化水从臭氧化水发生器经所述器皿流入处理池，以允许对臭氧浓度进行就地测量。
22.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括沿着所述基本共享的路径交替引导所述黄-红光带和所述蓝光带，其中所述感测包括交替感测所述黄-红光带和所述蓝光带。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，交替引导所述黄-红光带和蓝光带是与空白周期交替进行的，在所述空白周期中基本上不引导沿所述基本共享的路径的光。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括感测沿所述基本共享的路径的至多一部分通过的所述黄-红光带和所述蓝光带中的至少一个，并且响应性地维持所述黄-红光带或所述蓝光带中的至少一个的发射亮度。
25.一种用于产生具有期望的臭氧浓度的臭氧化水的方法，所述方法包括：
选择黄-红光带，所述臭氧对所述黄-红光带的吸收要大于对蓝光带的吸收；
在臭氧化水发生设备中产生臭氧化水；
在所述臭氧化水从所述臭氧化水发生设备中流出之后，在所述黄-红光带和所述蓝光带沿着基本共享的路径通过所述臭氧化水之后感测所述黄-红光带和所述蓝光带；
响应于所感测的蓝光带来修改从所感测的黄-红光带确定的被测臭氧浓度，从而提高所述被测臭氧浓度的准确度；以及
调节所述臭氧化水发生设备的至少一个参数，直到所述被测臭氧浓度与所述期望的臭氧浓度基本匹配。
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