JP2005189111A - 超音波濃度測定発信器 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度応答性に優れると共に、腐食性の強い半導体研磨液のような砥粒粉末を含んだ溶液の濃度計測を精度よく行うことのできる超音波濃度測定発信器を提供する。
【解決手段】 内部をスロープ１１ｂ、１１ｃ状に順次拡径して拡径部１１ａを設けたセル１５内に、超音波を被測定溶液Ｌに対し発信する超音波送受信部１２と、超音波送受信部１２に被測定溶液Ｌを介して対向し超音波送受信部１２から送信された超音波を超音波送受信部１２へ向けて反射させる反射板１３と、送信された超音波の伝播時間を測定する超音波送受信部１２と、被測定溶液Ｌの温度を測定する温度センサー１７とを備えた構造とし、セル１５の上部を貫通してセル１５内部に超音波送受信部１２を挿入し、ケース１６にボルト２２ａ及び２２ｂにより固定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波濃度測定発信器に関する。より詳しくは、外気温の影響を受けにくい構造で、かつ、半導体研磨液のような砥粒粉末を含んだ腐食性の強い研磨液溶液、もしくは半導体洗浄液に対しても、高精度に溶液濃度を計測可能な超音波濃度測定発信器に関する。

溶液の濃度を測定する従来技術としては、自動滴定装置があったが、濃度計測に薬品を使うため、ランニングコストが大きいこと、装置そのものが複雑でイニシャルコストが高いこと、などの欠点があった。また、光の透過度で濃度計測を行うものもあったが、接液面の汚れの問題などがあり、精度があまり高くないなどの問題もあった。超音波濃度計はこれらの問題を解決しようとしたものである。
一般に、溶液中を伝わる超音波の伝播速度は、溶液の濃度や温度と一定の関係があることが知られている。このため、従来から溶液中における超音波の伝播速度及び溶液温度から、溶液の濃度を計測する超音波発信器が開発されてきた。

図２及び図３に、従来の超音波濃度測定発信器の一例（断面図）を示す。当初、半導体研磨液用の超音波濃度測定発信器としては、図２に示すようなテフロン（登録商標）コーティングしたものを用いたが、寸法が大きいことと、流量がさほど多くないため、超音波濃度測定発信器の熱容量との関係から正しい液温を測定しにくいという問題があった。その後、超音波濃度測定発信器の小型化のため、図３のようなタイプのものを開発したが、送受信と反射板との距離を保つ領域が外気に接触しており、外気温で距離が変動する結果、音速が変動することとなり精度が悪かった。
さらに、図２に示す従来の超音波濃度測定発信器３０は、被測定溶液を流通させる溶液流路３１と、超音波を送信する超音波濃度測定発信器３０内に設けられた超音波送受信部３２に超音波計測領域３８を介して対向させるとともに超音波送受信部３２から送信された超音波Ｕを超音波送受信部３２へ向けて反射する反射板３３と、反射板３３と超音波送受信部３２とを連結する支柱３４と、支柱３４内に設けられた温度センサー３７と、超音波送受信部３２を備えたものである。

このような図２に示す従来の濃度計発信器３０は、まず、溶液流路３１に被測定溶液Ｌ２を流し、超音波濃度測定発信器３０内に設けられた超音波送受信部３２から超音波Ｕが超音波計測領域３８へ送信される。超音波Ｕは、超音波計測領域３８内を伝播しながら、反射板３３で反射して、再び超音波送受信部３２に戻る。
反射板３３と超音波送受信部３２との間の距離Ｄは一定であるから、超音波Ｕが送信されてから戻ってくるまでの伝播時間ｔを測定することにより、超音波Ｕの超音波計測領域３８ における音速ｖが算出できる。
また、温度センサー３７で超音波Ｕの音速測定領域３８の近傍温度Ｔを測定することにより、音速ｖ及び温度Ｔに対応する超音波計測領域３８の濃度を演算できる。

しかしながら、図２に示すような従来の濃度計用の超音波濃度測定発信器３０の温度センサー３７は、超音波濃度測定発信器３０の支柱内に埋め込まれて超音波濃度測定発信器３０と一体化した構造であったため、外気温の影響を受け、実際に測定する溶液の温度との間に誤差を生じやすく、温度応答性に欠けるものであった。
また、図３（（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ断面図である）に示すような従来の濃度計用の超音波発信器４０においては、セル４５への液流入の溶液流路４１ａと液流出の溶液流路４１ｂとが垂直方向において段違いになっており、また、セル４５内部がスロープ状になっていないため、セル４５内に砥粒粉末などの滞留が起こりやすい。さらに、温度センサー４７が超音波送受信部４２から送信される超音波計測領域４８に近接していないため、実際に測定する溶液の温度との間に誤差を生じやすく、温度応答性に欠けるものであった。
特開平８−０４３３５９号公報

本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、温度応答性に優れると共に、腐食性の強い半導体研磨液のような砥粒粉末を含んだ溶液の濃度計測を精度よく行うことのできる超音波濃度測定発信器を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記本発明の目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた結果、セル内部をスロープ状に順次拡径して拡径部を設け、そのセル内に超音波を被測定溶液に対し発信する超音波発信部と、超音波発信部に被測定溶液を介して対向し超音波発信部から発信された超音波を超音波発信部へ向けて反射させる反射板と、発信された超音波の伝播時間を測定する受信部と、被測定溶液の温度を測定する温度センサーとを備えた超音波濃度測定発信器を提供することで、上記問題を解決することができることを見出した。

すなわち、請求項１に記載の超音波濃度測定発信器は、内部をスロープ状に順次拡径して拡径部を設けたセル内に、超音波を被測定溶液に対し発信する超音波発信部と、
超音波発信部に被測定溶液を介して対向し超音波発信部から発信された超音波を超音波発信部へ向けて反射させる反射板と、発信された超音波の伝播時間を測定する受信部と、被測定溶液の温度を測定する温度センサーとを備え、セルを高耐食性材料で形成させたことを特徴とする。
請求項２に記載の超音波濃度測定発信器は、内部をスロープ状に順次拡径して拡径部を設けたセル内に、超音波を被測定溶液に対し発信する超音波発信部と、超音波発信部に被測定溶液を介して対向し超音波発信部から発信された超音波を超音波発信部へ向けて反射させる反射板と、発信された超音波の伝播時間を測定する受信部と、被測定溶液の温度を測定する温度センサーとを備え、温度センサーを超音波発信部とは分離させると共に、セルを高耐食性材料で形成させたことを特徴とする。
請求項３に記載の超音波濃度測定発信器は、請求項１又は２においてセルを形成する高耐食性材料が、フッ素樹脂であることを特徴とする。
請求項４に記載の超音波濃度測定発信器は、請求項１〜３のいずれかにおいて、温度センサーを、超音波計測領域に対して斜め方向に装着したことを特徴とする。
請求項５に記載の超音波濃度測定発信器は、請求項１〜３にいずれかにおいて、温度センサーを、溶液流路中心、かつ、超音波計測領域の近傍に装着したことを特徴とする。
請求項６に記載の超音波濃度測定発信器は、請求項１〜５のいずれかにおいて、被測定溶液が、砥粒粉末を含んだ半導体研磨液であることを特徴とする。
請求項７に記載の超音波濃度測定発信器は、請求項１〜５のいずれかにおいて、被測定溶液が、添加溶液を含んだ半導体研磨液であることを特徴とする。
請求項８に記載の超音波濃度測定発信器は、請求項１〜５のいずれかにおいて、被測定溶液が、半導体洗浄液であることを特徴とする。

本発明の請求項１の超音波濃度測定発信器は、セル内部をスロープ状に順次拡径して拡径部を設け、そのセル内に超音波を被測定溶液に対し送信する超音波送受信部と、超音波送受信部に被測定溶液を介して対向し超音波送受信部から送信された超音波を超音波送受信部へ向けて反射させる反射板と、送信された超音波の伝播時間を測定する超音波送受信部と、被測定溶液の温度を測定する温度センサーとを備え、溶液流路中心かつ超音波測定領域近傍に温度センサーを形成したため、実際に測定する溶液の温度との間に誤差を生じにくく、温度応答性に優れる。
また、腐食性の強い半導体研磨液のような溶液を計測対象としても、計測部であるセルが腐食されにくい材料を用いたので、長期間に亘り連続して溶液濃度が計測できる。
さらに、計測部であるセル内に砥粒粉末や成分の滞留が起こりにくい構造としたため、精度のよい測定ができる。
請求項２の超音波濃度測定発信器は、温度センサーを超音波送受信部とは分離させて形成したので、さらに、精度良く溶液の温度を測定でき、温度応答性にも優れる。
請求項３の超音波濃度測定発信器は、セルが耐食性の高い材料、例えばフッ素樹脂により形成されているため、腐食性の強い半導体研磨液のような溶液の濃度計測も容易である。
請求項４や請求項５の超音波濃度測定発信器は、温度センサーが、超音波計測領域に対して斜め方向に装着して、もしくは,溶液流路中心、かつ、超音波計測領域の近傍に装着されているため、外気温の影響を受けにくく被測定溶液Ｌの温度を正確に測定することができ、温度応答性に優れている。
本発明の超音波濃度測定発信器は、その構造上、砥粒粉末を含んだ溶液、添加溶液を含んだ半導体研磨液、半導体洗浄液などの濃度計測に好適に用いられる。

（１）本発明の実施の形態１
図１は、本発明の実施形態１に係る超音波濃度測定発信器の断面図を示す。
図１に示すように、本実施形態１に係る超音波濃度測定発信器１０は、内部をスロープ１１ｂ、１１ｃ状に順次拡径して拡径部１１ａを設けたセル１５内に、超音波を被測定溶液Ｌに対し発信する超音波送受信部１２と、超音波送受信部１２に被測定溶液Ｌを介して対向し超音波送受信部１２から送信された超音波を超音波送受信部１２へ向けて反射させる反射板１３と、送信された超音波の伝播時間を測定する超音波送受信部１２と、被測定溶液Ｌの温度を測定する温度センサー１７とを備えている。
また、温度センサー１７を超音波送受信部１２とは分離させた構造としている。
さらに、セル１５の上部を貫通してセル１５内部に、超音波送受信部１２が挿入され、ケース１６にボルト２２ａ及び２２ｂにより固定されている。

本実施形態１の超音波濃度測定発信器１０は、セル１５内には、溶液流路１１の入口から溶液Ｌが流れ込み、スロープ１１ｂを通過してセル１５の拡径部１１ａに装着された超音波送受信部１２によって被測定溶液Ｌ流体に超音波を送信する。
超音波送受信部１２から送信された超音波は、超音波送受信部１２と支柱１４によって連結対向して設けられた反射板１３によって反射され、再び超音波送受信部１２内に設けられた振動子１２ａに伝えられる。

本実施形態１においては、溶液流路１１の入口及び出口からそれぞれセルの中央部（拡径部１１ａ）に向かって拡径するように傾斜部（スロープ１１ｂ，１１ｃ）が設けられており、このスロープ１１ｂ，１１ｃと拡径部１１ａに囲まれたセル１５は、拡径部１１ａに超音波計測領域１８を形成している。
このように流路の径を拡径してスロープ１１ｂ，１１ｃとすることにより、砥粒粉末や溶液中の成分の滞留を効率よく防ぎ、正確な測定が可能となり、かつ、溶液中の成分の析出を防ぐ。
被測定溶液Ｌとしては、金属酸洗工程における酸液、エッチング処理工程におけるめっき浴、ペイント液管理その他広範囲の多成分系液管理に用いることができるが、中でも、腐食性の高い溶液、具体的には例えば半導体研磨液や洗浄液が好ましく適用できる。

超音波送受信部１２は、超音波を被測定溶液Ｌに対し送信する部分であり、その発生には超音波送受信部１２内に設けられている振動子１２ａ、例えば圧電振動子（圧電セラミック、水晶など）、電歪振動子（チタン酸バリウム）、磁歪振動子（ニッケル、フェライトなど）など、公知のものを用いることができる。
また、超音波送受信部１２は、超音波送受信部１２内に設けられている振動子１２ａを兼用して用い、送信された超音波が反射板１３によって反射されてきた振動を振動子１２ａによって検出することにより、送信された超音波を受信して超音波の伝播時間を測定する。
反射板１３は、被測定溶液Ｌを介して超音波送受信部１２から送信された超音波を超音波送受信部１２へ向けて反射するように、超音波送受信部１２に対向して設けられている。
なお、図１において、超音波送受信部１２の電極，配線等は省略して図示している。

セル１５は、耐食性の高い材料で形成されている。耐食性の高い材料で形成されることにより、半導体研磨液や洗浄液のような腐食性の高い濃度の溶液であっても、連続して長期間正確に計測作業を継続することができる。
セル１５を形成する耐食性の高い材料としては、フッ素樹脂等の耐食性樹脂を用いることが好ましい。フッ素樹脂そのものでセル１５を形成することもできるが、安価で成形性に優れる樹脂上に任意の厚みにコーティング加工を施したものも用いることができる。
セル１５は、溶液流路の入口・出口にスロープ１１ｂ、１１ｃを形成しており、出口側スロープ１１ｃを貫通するように超音波計測領域１８に対して斜め方向に温度センサー１７をセル１５内に挿入して装着している。
このように温度センサー１７を斜め方向に装着することにより、より実際の計測領域の温度を測定でき、外気温の影響を受けにくく、精度のよい溶液濃度を計測できる。
また、セル１５内への突出部分の長さについては、できるだけ超音波計測領域に近接させることにより（超音波計測領域近傍）、超音波計測領域１８の近くで正確な温度を測定できるので、好ましい。

温度センサー１７は、溶液の温度を測定するものであり、例えば公知のサーミスター等を用いることができる。本実施形態１のように、セル１５内に温度センサー１７を設けて超音波発信器１２と温度センサー１７とを個別に設置することにより、従来のように一体化して設ける場合と比べて温度応答性を向上させることができる。
尚、図１において、温度センサー１７の配線は省略して図示している。

超音波濃度測定発信器１０と外気１９との間には、塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン樹脂等の熱伝導率の低い材料からなる断熱板２１を設けることで、外気温の影響を受けず、正確な伝播時間を計測することができる。
また、ＡＣ電源、全体を制御し伝播時間および温度から溶液濃度を算出するためのマイクロプロセッサー、算出した数値を既知の濃度との比較において演算するためのデータを記録したＲＯＭ等を適宜備えることができる（図示しない）。

本実施形態１の超音波濃度測定発信器１０を用いて、例えば半導体研磨液中の砥粒粉末の濃度の測定を行う場合の操作を説明する。
セル１５内を流通する溶液に対して超音波送受信部１２から超音波Ｕを送信させると、介在している超音波計測領域１８を通過して反射板１３で反射し、再び超音波送受信部１２に戻る。送信から受信までに要した被測定溶液Ｌの伝播時間を計測すると共に、温度センサー１７が半導体研磨液の温度を測定して、所定の関係式を用いて濃度を算出する。

ここで、溶液中を伝わる超音波の音速（伝播速度）は、溶液の成分、濃度及び温度等により複雑に変化するが、以下の関係式から、本発明の超音波濃度測定発信器を用いれば溶液の濃度計測が可能となる。
超音波の溶液中の伝播速度、同液体の密度、及び体積弾性率との基本的関係は、下記式（１）の関係にある。
Ｖ２＝Ｅ／ρ・・・（１）
ただし、（１）式で、Ｖ：溶液中の超音波伝播速度、Ｅ：溶液の体積弾性率、ρ：溶液の密度、である。体積弾性率Ｅ及び密度ρは、溶液の濃度及び温度により変化するので、前記式（１）から超音波伝播速度Ｖも変化する。
ここで超音波伝播速度Ｖは、下記（２）式の関係にもある。
Ｖ＝２Ｌ０／ｔｉ・・・（２）
ただし、Ｌ０：超音波送信部から反射板までの距離、ｔｉ：２Ｌ０間の超音波伝播時間、で表される。
即ち、超音波伝播時間を測定することにより超音波伝播速度が定まり、さらに温度測定することによって溶液濃度が定まる。
この関係は、下記（３）式の関係にある。
Ｄ＝Ｆ（Ｔｃ，Ｖ）・・・（３）
ただし、Ｄ：溶液濃度、Ｆ（Ｔｃ，Ｖ）：温度・超音波伝播速度の２変数関数、Ｔｃ：溶液温度、となり、濃度計測が可能となる。ここで、前記２変数関数は溶液毎に決められるものである。

本発明の超音波濃度測定発信器は、実際に測定する溶液の温度との間に誤差を生じにくく、温度応答性に優れる。
また、腐食性の強い半導体研磨液のような溶液を計測対象としても、計測部であるセルが腐食されにくい材料を用いたので、長期間に亘り連続して溶液濃度が計測できる。
さらに、計測部であるセル内に砥粒粉末や成分の滞留や析出が起こりにくい構造としたため、精度のよい測定ができる。

また、セルが耐食性の高い材料により形成されているため、腐食性の強い半導体研磨液のような溶液の濃度計測も容易であり、温度センサーが、超音波計測領域に対して斜め方向に装着して超音波計測領域の近傍に設けられているため、もしくは、溶液流路中心、かつ、超音波計測領域の近傍に設けられているため、被測定溶液Ｌの温度を正確に測定することができ、温度応答性に優れている。
さらに、本発明の超音波濃度測定発信器は、
その構造上、砥粒粉末を含んだ溶液や添加溶液を含んだ半導体研磨液、半導体洗浄液などの濃度計測に好適に用いられる。

本発明の実施形態に係る超音波濃度測定発信器の断面図を示す。 従来型の超音波発信器の断面図を示す。 従来型の他の超音波発信器の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）を示す。

符号の説明

Ｌ，Ｌ２ 被測定溶液
Ｕ 超音波
１０ 本実施形態の超音波濃度測定発信器
１１ 溶液流路
１１ａ 拡径部
１１ｂ，１１ｃ スロープ
１２ 超音波送受信部
１２ａ 振動子
１３ 反射板
１４ 支柱
１５ セル
１６ ケース
１７ 温度センサー
１８ 超音波計測領域
１９ 外気
２１ 断熱板
２２ａ，２２ｂ ボルト
３０ 従来の超音波発信器
３１ 溶液流路
３２ 超音波送受信部
３３ 反射板
３４ 支柱
３７ 温度センサー
３８ 超音波計測領域
４０ 従来の他の超音波発信器
４１ａ，４１ｂ 溶液流路
４２ 超音波送受信部
４５ セル
４７ 温度センサー
４８ 超音波計測領域

Claims (8)

1. 内部をスロープ状に順次拡径して拡径部を設けたセル内に、超音波を被測定溶液に対し送信する超音波送受信部と、前記超音波送受信部に前記被測定溶液を介して対向し前記超音波送受信部から送信された超音波を前記超音波送信部へ向けて反射させる反射板と、前記送信された超音波の伝播時間を測定する超音波送受信部と、被測定溶液の温度を測定する温度センサーとを備え、
   前記セルを高耐食性材料で形成させたことを特徴とする、超音波濃度測定発信器。
2. 内部をスロープ状に順次拡径して拡径部を設けたセル内に、超音波を被測定溶液に対し送信する超音波送受信部と、前記超音波送受信部に前記被測定溶液を介して対向し前記超音波送受信部から送信された超音波を前記超音波送信部へ向けて反射させる反射板と、前記送信された超音波の伝播時間を測定する超音波送受信部と、被測定溶液の温度を測定する温度センサーとを備え、
   前記温度センサーを超音波送受信部とは分離させると共に、
   前記セルを高耐食性材料で形成させたことを特徴とする、超音波濃度測定発信器。
3. 前記セルを形成する高耐食性材料が、フッ素樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波濃度測定発信器。
4. 前記温度センサーを、超音波計測領域に対して斜め方向に装着したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波濃度測定発信器。
5. 前記温度センサーを、溶液流路中心、かつ、超音波計測領域の近傍に装着したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波濃度測定発信器。
6. 前記被測定溶液が、砥粒粉末を含んだ半導体研磨液であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波濃度測定発信器。
7. 前記被測定溶液が、添加溶液を含んだ半導体研磨液であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波濃度測定発信器。
8. 前記被測定溶液が、半導体洗浄液であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波濃度測定発信器。

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