KR102165606B1 - 용존 산소 센서의 컴포넌트 수명 종료의 검출 및 시그널링을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

여기에 개시된 실시형태는 유체 유동 경로에 노출된 형광체를 포함하는 센서를 포함할 수 있다. 형광체는 여자 광원에 의한 조명에 응답하여 광을 방출할 수 있다. 조명에 응답하여 형광체에 의해 방출된 광의 크기가 결정될 수 있다. 이 크기가 기준 크기의 임계치 내인지 여부가 결정될 수 있고 이 결정에 기초하여 알람 상태가 설정된다. 이 알람 상태는, 형광체가 수명 종료 상태에 도달하였거나 아니면 교체되어야 함을 나타낼 수 있다.

Description

용존 산소 센서의 컴포넌트 수명 종료의 검출 및 시그널링을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DETECTION AND SIGNALING OF COMPONENT END-OF-LIFE IN A DISSOLVED OXYGEN SENSOR}

관련 출원

이 특허 출원은 "용존 산소 센서 및 발광 물질의 수명 종료의 자동 검출(Dissolved Oxygen Sensor And Auto-Detect End Of Life Of Light-Emitting Substance)"의 명칭으로 2014년 3월 20일자 출원된 미국 가특허 출원 제61/955,966호에 대하여 35 U.S.C.§119 하의 우선권 이익을 주장하며, 상기 가특허 출원은 모두 모든 목적으로 인용에 의해 그 전부가 본원에 통합된다.

기술 분야

본 발명은 일반적으로 산소 센서에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 용존 산소(DO; dissolved oxygen) 센서에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 DO 센서의 컴포넌트의 수명 종료(end-of-life)의 표시를 제공하는 것에 관한 것이다.

산소 센서는 현장 또는 실험실에서 수용액의 산소 농도를 측정하는 전자 장치를 말한다. 현재 가장 유행하는 유형의 산소 센서는 야생 생물의 적당한 환경 조건을 보장하도록 큰 수역의 환경 속성을 결정하기 위해 산소 농도를 측정하는데 사용되는 것과 같은 전기화학 센서이다. 이러한 전기화학 센서는 유체에 녹아있는 산소를 측정하기 위해 전극을 구비한 프로브를 이용한다. 더 구체적으로, 음극과 양극이 전해질에 담궈진다. 산소는 확산에 의해 투과성 막을 통해 프로브로 들어가고, 음극에서 환원되어 측정 가능한 전류를 생성한다. 전류와 산소 농도 간의 관계는 선형 관계이고, 따라서 농도는 센서의 전류 및 교정 설정(calibration setting)으로부터 결정될 수 있다.

그러나 다른 환경에서 산소 센서가 필요하다. 특히, SEMI F57 표준, 식품 및 의약품 처리에서의 FDA 표준 등에 의해 규정된 것과 같은 초고순도 환경에서 산소 센서가 필요하다. 이러한 필요성은 여러 가지 이유로 상승하고 있다. 예를 들면, 반도체 제조 공정에서 산소의 존재는 다른 문제점들 중에서도 특히 처리에 수반되는 물질(예를 들면, 도금 처리시에 사용되는 구리)의 부식을 증가시킬 수 있다.

초고순도 환경에 전기기계 센서를 적응시키는 시도는 야생생물을 위한 최소 산소 농도 레벨을 보장하기 위해 강, 개울 및 호수의 용존 산소 함유량을 샘플링하는 딥 프로브(dip probe)로서 원래 의도된 비교적 큰 금속 프로브(예를 들면, 스테인레스강 또는 알루미늄)를 이용하는 전기화학 센서를 반도체 제조 공정, 식품 및 의약품 공정 또는 기타의 초고순도 환경에서 사용하기 위해 요구되는 산소의 서브 ppb(sub-part per billion)(예를 들면, 1/10⁹ 파트) 농도를 검출하는 작업을 위해 용도변경(re-purpose)하는 것이 극히 어렵기 때문에 거의 불가능한 것으로 입증되었다. 산업의 견지에서 이러한 시도는 지금까지 실패하였다.

이러한 실패는 전기화학 센서의 속성에 적지않게 기인한다. 전술한 바와 같이, 전기화학 센서는 측정 대상 유체에 삽입해야 하는 금속 프로브(또는 금속 하우징)를 이용한다. 이러한 금속 프로브 팁(tip)의 삽입은, 예를 들면 반도체 제조 공정의 공정 유체(process fluid)에서, 금속 프로브 팁이 삽입되는 공정 유체를 오염시킴으로써, 이러한 전기화학 센서의 사용이 이러한 전기화학 센서를 사용하는 공정 및 재료, 및 그러한 공정에 대한 표준과 양립하지 않게 한다. 그래서 전기화학 센서는 초고순도 환경에서 사용되는 가성 유체(caustic fluid)와 함께 사용할 수 없다. 다시 말해서, 이러한 전기화학 센서의 물질과 초고순도 환경에서 사용되는 유체 사이에는 초고순도 환경을 규정하는 표준에 대한 준수를 금지하는 기초 재료 부적합성이 있을 수 있다.

더욱이, 유체 내에 전기화학 센서의 프로브 팁이 존재하면 유체의 층류를 파괴하고 유체를 휘저어서 유체 유동 경로에서 데드 레그(dead leg)를 야기한다. 이러한 파괴는, 그 다음에, 유체를 사용하는 공정에 부정적 영향을 주는 버블 또는 분배율(dispense rate)의 변동 등과 같은 원치않는 부작용을 야기할 수 있다. 이러한 전기화학 센서의 사용에 따른 다른 문제점은 전기화학 센서가 비교적 큰 폼팩터를 가짐과 아울러 초고순도 환경에서 종종 사용되는 고압 유속에서 사용하기에는 적당하지 않게 설계된다는 사실을 포함한다. 따라서, 많은 경우에, 이러한 전기화학 센서는 초고순도 환경에서 종종 사용되는 소형 설치(compact installation)에서 전혀 사용될 수 없고, 또는 빈약한 내부 밀봉에 의해 야기되는 누출 또는 부식에 기인하여 고장률이 높아질 수 있다.

산소 센서의 서비스 가용성 및 비용도 또한 관심 대상이었다. 구체적으로, 산소 센서에 의해 사용되는 많은 부품들은, 컴포넌트들의 그의 효능이 컴포넌트의 수명에 걸쳐 감소될 수 있거나 그렇지 않으면 컴포넌트가 제한된 수명을 가질 수 있다는 점에서, 소모품일 수 있다. 그러나, 센서가 계속해서 정확하게 동작할 수 있기 위하여 이러한 컴포넌트들이 교체를 필요로 할 때를 결정하는 것은 종종 어렵다. 따라서, 이전에 선택권은 거의 일반적으로, 센서의 지속적인 적절한 동작을 보장하기 위하여 그의 유용한 수명보다 앞서 가속화된 스케줄로 이러한 부품들을 교체하는 것이었다. 이 해결책은 다양한 이유로 문제가 되는데, 여전히 유용한 수명이 남아있는 부품들을 교체하는 것의 증가된 비용 및 센서가 이용되는 임의의 프로세스를 정지해야 함으로써 초래되는 비용이 그러하다. 그러나, 부적절하게 수행하는 센서를 갖는 것의 비용이 훨씬 더 높았기 때문에(예컨대, 프로세스 낭비 때문에 등) 이 선택권이 종종 행해졌었다.

그리하여 요구되는 것은, 산소 센서의 컴포넌트의 교체에 관련된 유용한 표시자를 제공할 수 있는 산소 센서이다.

이를 위해, 용존 산소 센서의 실시형태가 여기에서 개시된다. 여기에서 설명하는 실시형태는 유체 유동 경로 내의 개구에 배치된 광학적 투명 물질의 창을 포함할 수 있고, 형광체가 유체 유동 경로에 노출되는 창의 측면에 부착된다. 여자(excitation) 광원은 형광체를 조명하도록 구성되고, 포토다이오드는 조명에 응답하여 형광체에 의해 방출된 광을 수신한다. 수신된 광은 이 광의 크기를 결정하는데 사용될 수 있으며, 그러면 이 크기는 형광체에 의해 방출된 광의 크기가 기준(baseline) 크기의 임계치 내에 있는지 여부를 결정하는데 사용될 수 있고 이 결정에 기초하여 형광체와 연관된 알람 상태가 설정된다. 이러한 알람 상태는 유체 유동 경로 내의 유체의 용존 산소 농도의 측정치와 함께 결정될 수 있다.

따라서, 이러한 센서에 대한 서비스 가용성 및 비용 목표와 함께, 이러한 서비스 가능성 및 비용 감소 목표와 함께, 센서의 실시형태는 형광체를 교체할 필요가 있을 때를 나타내는 표시자를 제공할 수 있다. 특히, 소정의 실시형태에 있어서, 형광체에서 방사되는 광의 크기를 모니터링하여 형광체를 교체해야 하는지를 결정할 수 있다. 이 방식으로, 용존 산소(dissolved oxygen, DO) 센서의 정확한 기능이 유지되면서 형광체의 빈번한 교체로 인한 불필요한 지출을 회피할 수 있다. 더 구체적으로, 형광체의 기본 크기가 DO 센서와 관련하여 결정되고 저장될 수 있다. 이 기본 크기는 사용자가 결정하고 설정할 수 있는 절대치 또는 교정 처리 중에 결정되고 형광체에 의한 방사광의 최대 강도를 표시하는 절대치일 수 있다. 측정 사이클(이것은 매 측정 사이클, 소정 조건하에서 수행되는 지정된 측정 사이클 등일 수 있다) 중에, 형광체에 의한 방사광의 크기가 결정되고 상기 기본 크기와 비교될 수 있다. 만일 그 측정 사이클 중에 형광체에 의한 방사광의 결정된 크기가 기본 크기의 소정의 역치 내에 있지 않으면 알람이 발생될 수 있다. 이 알람은 이러한 DO 센서를 이용하는 운영자(예를 들면, 공정 운영자)에게 센서의 형광체가 교체되어야 한다는 것을 신호할 수 있고, 운영자는 상기 알람에 기초하여 다양한 행동, 예를 들면, 공정의 일시 정지, 형광체의 교체 등을 취할 수 있다.

센서 실시형태의 감도 또는 정확도를 증가시키기 위해, 광학 프로브는 전기적 및 광학적 누화를 방지하기 위해 소정의 기능 또는 컴포넌트를 분리할 수 있다. 특히, 소정의 실시형태에 따라서, 광학 프로브는 광학 슬리브 내에 배치된 광학 캐리어를 포함할 수 있다. DO 센서의 여자 광원은 광학 캐리어의 일측에 있을 수 있고, 한편 참조 광원, 포토다이오드, 및 형광체에 의한 방사광을 상기 포토다이오드에 전도하도록 구성된 수광 캐리어는 이 컴포넌트들을 광학 캐리어의 다른 측에 배치하거나 상기 컴포넌트들을 광학 캐리어의 각종 챔버 또는 구멍(bore)에 넣음으로써 상기 여자 광원으로부터 분리될 수 있다. 따라서, 광학 캐리어(및 광학 캐리어의 각종 컴포넌트)와 이 광학 캐리어를 내포한 광학 슬리브의 조합은 센서의 각종 컴포넌트를 전기적으로 및 광학적으로 격리시키는데 소용된다.

본 발명의 상기 및 기타의 양태들은 이하의 설명 및 첨부 도면과 함께 고려할 때 더 잘 인식되고 이해될 것이다. 이하의 설명은, 비록 발명의 각종 실시형태 및 그 많은 구체적인 세부를 표시하지만, 단지 설명을 위해 제공되고 제한하는 의도는 없다. 발명의 범위 내에서 많은 치환, 수정, 추가 또는 재배열이 가능하고, 본 발명은 그러한 모든 치환, 수정, 추가 또는 재배열을 포함한다.

본 발명 및 그 장점들의 더 완전한 이해는 동일한 참조 번호가 동일한 요소를 나타내는 첨부 도면과 함께하는 이하의 설명을 참조함으로써 획득될 수 있다.
도 1은 용존 산소(DO) 센서의 기능의 일 실시형태를 보인 도식적 표시도이다.
도 2는 반도체 공정에서 DO 센서의 사용을 보인 도식적 표시도이다.
도 3은 DO 센서의 일 실시형태의 도식적 표시도이다.
도 4a-4c는 DO 센서의 도식적 표시도이다.
도 5는 DO 센서의 일 실시형태의 일부의 도식적 표시도이다.
도 6은 DO 센서의 각종 실시형태에서 사용하는 광학 프로브의 일 실시형태의 도식적 표시도이다.
도 7a-7c는 DO 센서의 각종 실시형태에서 사용하는 광학 슬리브의 일 실시형태의 도식적 표시도이다.
도 8은 DO 센서의 각종 실시형태에서 사용하는 광학 캐리어의 일 실시형태의 도식적 표시도이다.
도 9는 DO 센서의 각종 실시형태에서 사용하는 광학 격막의 일 실시형태의 도식적 표시도이다.
도 10a 및 10b는 DO 센서의 각종 실시형태에서 사용하는 프로브 팁의 일 실시형태의 도식적 표시도이다.
도 11은 DO 센서의 각종 실시형태를 제어하기 위해 사용하는 교정 처리의 일 실시형태의 흐름도이다.
도 12는 DO 센서의 각종 실시형태를 제어하기 위해 사용하는 측정 처리의 일 실시형태의 흐름도이다.
도 13은 DO 센서의 각종 실시형태를 제어하기 위해 사용하는 알람 상태 결정 처리의 일 실시형태를 보인 도식적 표시도이다.

본 발명 및 본 발명의 각종 특징 및 장점들의 세부를 첨부 도면에 도시되고 이하의 설명에서 상세화되는 비제한적인 실시형태를 참조하면서 더 구체적으로 설명한다. 잘 알려져 있는 출발 물질, 처리 기술, 컴포넌트 및 장비의 설명은 본 발명의 세부를 불필요하게 애매하게 하지 않도록 생략된다. 그러나 당업자라면 구체적인 설명 및 특정의 예는 비록 양호한 실시형태로서 제공되지만 단지 예로서 제공되고 제한하는 의도가 없다는 것을 이해할 것이다. 기초가 되는 발명 개념의 범위 내에 있는 각종 치환, 수정, 추가 및 재배열은 본 명세서를 읽은 후에 당업자에게 명백하게 될 것이다. 일 예로서, 여기에서 설명하는 실시형태들은 용존 산소 센서에 관한 것이지만, 다른 실시형태들은 예컨대 다른 원소 또는 분자(예를 들면, 이산화탄소)에 응답하는 형광체를 이용하여 다른 화학 물질 또는 요소들의 농도를 측정하는데 동일하게 잘 활용될 수 있다는 점에 주목하여야 한다.

산소 센서의 특정 실시형태에 관하여 더 구체적으로 탐구하기 전에, 실시형태의 일반적인 동작 및 그 실시형태를 활용할 수 있는 상황의 개관을 제공하는 것이 도움이 될 것이다. 먼저, 도 1을 참조하면 광학 용존 산소(DO) 센서의 실시형태의 기본 동작이 도시되어 있다. 광학 센서는 산소 농도의 광학적 측정을 위해 형광 광학 기술을 사용한다. 구체적으로, 유체의 산소 농도에 의존하는 형광 속성을 가진 화학 막(film)을 활용할 수 있다. 전기화학 센서에 의해 생성된 측정 가능한 전류와는 달리, 광학 센서의 산소에 대한 신호(형광)비는 선형이 아닐 수 있다. 형광은 산소가 없을 때 최대이다. 산소 분자(O₂)가 나타날 때, 산소 분자는 상기 막과 충돌하고 이것에 의해 광냉광(photoluminescence)이 소멸(quench)된다. 따라서, 산소 농도가 증가함에 따라 감도가 감소한다. 이것은 광물리 분자간 비활성화(소멸) 처리라고 알려져 있다. 분자간 비활성화는 다른 화학종의 존재가 그 여자 상태에서 화학물질의 감쇠율을 가속화할 수 있는 경우이다. 형광 및 인광 등의 처리는 소멸될 수 있는 여자 상태 처리의 예이다.

DO 모니터(100)는 유체 유동 경로(114)를 통해 흐르는 유체(112)(예를 들면, 액체 또는 기체)와 인터페이스되는 형광체(110)를 포함한다. 예를 들면, DO 센서(100)는 유동 경로(114)를 포함한 하우징을 포함하거나, 또는 다른 방식으로, 예컨대 물리적 결합을 통해 기존 유체 유동 경로와 인터페이스되거나 부착될 수 있다. DO 센서(100)는 유체(112)가 유동 경로(114)를 통해 흐를 때 형광체(110)를 이용하여 유체(112) 내에 존재하는 산소 농도를 측정하는데 소용될 수 있다.

형광체(110)는 화합물 또는 유기화합물 등의 물질 내에 존재할 때 물질의 발광(냉광) 능력을 증가시키는 원자 또는 원자 그루핑(atomic grouping)을 포함한 형광 물질을 활용한다. 도 1에 도시된 바와 같이 형광체 물질(110)을 포함한 발광(형광) 물질은 광학적으로 투명한 창(116)(예를 들면, 고순도 사파이어 기판, 다이아몬드, 인조 다이아몬드, 보로실리케이트 글라스 등)에 부착 또는 다른 방식으로 결합되고 소정 레벨의 용존 산소를 나타내는 유체(112)와 접촉한다. 일부 실시형태에 있어서, 형광 물질은 강산 또는 기본 공격(base attack)에 영향을 받지 않지만 산소가 자유롭게 확산되고 형광체(110)의 형광 물질과 접촉하여 습식 에칭 화학작용 등에서 사용되는 것과 같은 가성 유체(caustic fluid)와 함께 형광체(110)를 사용할 수 있게 하는 얇은 유기 또는 무기막(예를 들면, 세라믹 코팅 등과 같은 고성능 저항 코팅)으로 코팅되거나 코팅될 수 있고, 또는 그러한 막과 함께 사용될 수 있다.

LED(예를 들면, 적색, 녹색, 청색 등)와 같은 여자 광원(130)에 의해 여자된 후, 형광체(110)의 발광 물질은 냉광에 의해 광을 방사하고, 이 광은 광학적으로 투명한 창(116)을 통해 형광체(110)로부터 방사된 광을 수신하도록 위치된 검광 포토다이오드(140)로 광학적으로 안내된다. LED와 같은 참조 광원(120)은 시스템 에러 또는 지연을 제거하기 위해, 또는 노이즈를 감소시키고 신호대 잡음비를 증가시키도록 위상 검출 방법에서의 락(lock)을 허용하기 위해 사용될 수 있는 참조 신호를 생성하기 위하여 포토다이오드(140)에 의해 검출될 수 있는 광을 방사한다.

따라서, 측정 사이클의 여자 부분 중에, 여자 광원(130)은 소정의 시구간 동안 동작할 수 있고, 형광체(110)에 의해 방사된 광은 포토다이오드(140)에 의해 수신된다. 포토다이오드(140)는 이 수신된 광에 기초하여 신호를 발생하고, 이 신호를 센서 전자기기(150)에 제공한다. 센서 전자기기(150)는 하드웨어(예를 들면, 디지털 신호 프로세서(DSP), 마이크로컨트롤러, 아날로그-디지털 컨버터 등)와 소프트웨어(예를 들면, 펌웨어 등)의 임의 조합을 포함하고, 포토다이오드(140)로부터 수신된 신호에 기초하여 대응하는 신호를 발생하도록 구성된다. 이 경우에, 센서 전자기기(150)는 여자 부분 중에 포토다이오드(140)로부터의 신호에 기초하여 여자 신호를 발생한다. 이 여자 신호는 예를 들면 전술한 바와 같이 유체(112) 내 산소 농도에 기초를 둔, 여자 광원(130)에 의한 조명에 응답하여 형광체(110)에 의해 방사되고 포토다이오드(140)를 통해 수신된 광의 크기 또는 위상에 대응한다.

측정 사이클의 참조 부분 중에, 참조 광원(120)은 소정의 시구간 동안 동작할 수 있고, 이 참조 광원(120)에 의해 방사된 광은 포토다이오드(140)에 의해 수신된다. 포토다이오드(140)는 참조 광원(120)으로부터 수신된 이 광에 기초하여 신호를 발생하고, 이 신호를 센서 전자기기(150)에 제공한다. 센서 전자기기(150)는 측정 사이클의 참조 부분 중에 포토다이오드(140)로부터 수신된 신호에 기초하여 참조 신호를 발생한다. 이 참조 신호는 예를 들면 참조 광원(120)에 의해 방사되어 포토다이오드(140)를 통해 수신된 광의 크기 또는 위상에 대응한다.

센서 전자기기(150)는 측정 사이클의 여자 부분 중에 발생된 여자 신호를 이용하여 유체(112)의 산소 농도의 측정치를 표시하는 신호를 발생한다. 구체적으로, 형광체(110)에 의해 방사된 광의 진폭 또는 감쇠 시간은 유체(112) 내 용존 산소 농도에 대하여 역 선형 관계를 가질 수 있다. 따라서 여자 신호는 유체(112) 내의 용존 산소가 형광체(110)의 형광 물질과 상호작용하여 그 물질의 형광을 소멸시키거나 형광의 양을 감소시킬 때 그 형광의 감소에 대응하는 감쇠 시간 또는 감쇠 시상수를 도출하기 위해 사용될 수 있다.

특히, 소정의 실시형태에 있어서, 여자 신호의 위상이 결정될 수 있다. 또한, 센서 전자기기(150)의 지연이 예를 들면 측정 사이클의 참조 부분 중에 결정된 참조 신호(예를 들면, 참조 신호의 위상)를 이용하여 결정될 수 있다. 여자 신호의 위상은 여자 부분 중에 형광체(110)의 형광의 감쇠 시간을 정확히 결정하기 위해 사용될 수 있다(예를 들면, 여자 부분 중에 여자 광원(130)을 동작시키기 위해 사용된 신호를 이용해서). 이 감쇠 시간을 결정할 때, 센서 전자기기의 임의의 지연은 참조 신호로부터 결정된 지연을 이용하도록 보정될 수 있다. 그 다음에 유체 내의 산소 농도의 측정치가 형광체(110)의 공지된 감쇠 시상수와 상기 결정된 감쇠 시간 간의 관계에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 상기 농도 측정치는 온도와 산소 농도 간의 공지된 관계를 이용한 피측정 온도 값을 이용하여 추가로 조정될 수 있다. 측정 온도 값을 이용한 농도 보정은 유체 온도의 과도적 변화 또는 정상상태 변화에 대한 실질적인 실시간 보상을 가능하게 한다.

전술한 바와 같이, 형광체(110)의 냉광은 산소가 그 그라운드 상태로부터 그 여자 상태로 상승한 때 소멸된다. 이 소멸 처리는 형광체(110)의 감쇠율을 가속화할 수 있다. 따라서, 형광체를 이용하는 DO 센서는 규칙적인 유지관리를 필요로 한다. 현재의 최상의 관례는 시간 또는 동작 실패에 기초하여 형광체를 교체하는 것을 수반한다. 그러나 시간에 기초하여 형광체를 교체하는 것은 형광체의 유용한 수명을 불필요하게 단축할 수 있고, 동작 실패에 기초하여 형광체를 교체하는 것은 특히 형광체 감쇠 때문에 동작이 실패한 DO 센서가 고정밀도 동작에 사용되는 경우에 위험하거나 비용이 많이 들 수 있다. 이것은 형광체(110)가 광학적으로 투명한 창에 부착된다는 것 및 형광체가 단일 유닛으로서 제조되는 것이 일반적인 경우라는 것 때문에 적지않게 비용 소모적이다. 따라서 이 단일 유닛이 창(116)과 교체 대상의 형광체(110) 둘 다를 포함하게 할 수 있다.

추가로, 형광체(110)는 DO 센서(100)가 활용하는 유체(112)에 따라 다른 속도로 감쇠할 수 있다. 다시 말해서, 산소 농도가 더 높은 유체는 형광체(110)를 더 빨리 퇴화시킬 수 있다. 따라서 형광체(110)(및 많은 경우에 창(116)도 역시)의 빈번하고 불필요한 교체와 관련된 비용을 감소시키면서 DO 센서(100)의 적당한 기능을 보장하기 위해 형광체(110)의 교체 시점을 결정할 필요가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 일부 실시형태에 있어서, 형광체(110) 감쇠의 정도(measure)를 결정할 수 있다. 구체적으로, 소정의 실시형태에 있어서, 센서 전자기기(150)는 형광체(110)로부터의 방사 강도에 대응하고 그에 따라서 형광체(110)의 감쇠를 반영하는 여자 신호의 크기를 결정할 수 있다. 이 크기는 그 다음에 형광체(110)와 관련된 기본 크기(예를 들면, DO 센서의 교정 처리 중에 결정된 것, 설정 값과 같은 절대 크기 등)와 비교될 수 있다. 그 다음에 여자 신호의 크기가 기본 크기의 소정의 역치 내에 있는지 센서 전자기기(150)에 의해 결정될 수 있다. 만일 여자 신호가 기본 크기의 소정 역치(예를 들면, 50%, 75% 등) 내에 있지 않으면, 형광체(110)의 교체가 필요하다는 것을 사용자(예를 들면, DO 센서를 운용하는 엔티티와 관련된 운영자)에게 통보하기 위해 알람이 발생될 수 있다.

이제, 도 2를 참조하면, 여기에서 설명하는 DO 센서의 운영 환경의 일 실시형태의 상위 레벨 뷰가 예시되어 있다. 이러한 운영 환경은 습식 에칭, 사진석판술, 도금 또는 세척 공정과 같은 업계에 공지된 반도체 제조에 수반된 반도체 공정을 포함할 수 있다. 여기에서, 반도체 공정(200)은 툴 또는 챔버(집합적으로 202로 표시함), 및 반도체 공정(200)에서 필요한 하나 이상의 유체를 반도체 공정(200)에서 사용되는 툴 또는 챔버(202)에 제공하는 유체 유동 경로(214)를 포함할 수 있다. 반도체 공정(200)은 공정 제어부(230)에 의해 제어되고, 상기 공정 제어부(230)는 예컨대 반도체 공정(200)을 달성하기 위해 각종 펌프, 밸브, 툴 또는 챔버(202)를 동작시킴으로써 반도체 공정(200)을 제어하게끔 사용되는 디지털 하드웨어(232)(예를 들면, 프로세서, 기억 장치 등) 및 모듈(234)(제어 루틴, 소프트웨어 등)을 포함한다.

전술한 바와 같이, 반도체 공정(200)에 활용되는 유체에 산소가 존재하면 공정(200)에 크게 영향을 줄 수 있다. 따라서 DO 센서(220)의 실시형태들은 반도체 공정(200)에서 사용되는 유체(예를 들면, DO 센서(220)에 인접한 또는 DO 센서(220)에 내포된 유체 유동 경로(214) 부분 내 유체의 샘플)에서 산소 농도를 측정하고 반도체 공정을 제어하는 변수로서 산소 측정치를 활용할 수 있는(예를 들면, 공정(200)을 정지 또는 변경하고, 반도체 공정(200)의 운영자에게 경고 등을 전송할 수 있는) 공정 제어 컴퓨터(230)에 상기 산소 농도에 대응하는 농도 신호를 제공하기 위해 상기 유체 유동 경로(214)와 인터페이스 또는 상기 유체 유동 경로(214) 내에 인터페이스될 수 있다. 구체적으로, 소정의 실시형태에 있어서, DO 센서는 2개의 값(예를 들면, 0볼트와 5볼트, 4-20 밀리암페어 등) 사이의 아날로그 신호를 공정 제어부(230)에 제공할 수 있고, 공정 제어부(230)는 DO 센서(220)에 의해 제공된 신호로부터 산소 농도 측정을 위한 값을 결정할 수 있도록 교정 또는 다른 방식으로 구성될 수 있다.

추가로, 일부 실시형태에 있어서, DO 센서(220)는 유동 경로(214) 내의 유체의 온도(예를 들면, DO 센서(220)에 의해 측정된 유체 샘플의 온도)에 대응하는 신호, 및 DO 센서(220)의 형광체가 교체 필요성이 있는지 표시하는 알람 신호를 공정 제어부(230)에 제공할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 온도 신호는 조정 가능한 아날로그 신호(예를 들면, 0-5볼트, 4-20 밀리암페어 등)일 수 있고, 알람 신호는 이진 아날로그 신호일 수 있다(예를 들면, 0볼트는 형광체가 교체 필요성이 있음을 표시하는 알람 신호를 표시하고 5볼트는 "오케이" 신호일 수 있다). 공정 제어부(230)에 제공되는 신호 유형은 반도체 공정(200)의 운영자의 희망 또는 공정 제어부(230)의 능력에 의존하고 DO 센서(220)의 실시형태들은 필요에 따라 아날로그 신호, 디지털 신호 또는 이들의 조합을 효과적으로 활용할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

예상하고 있는 바와 같이, 이러한 반도체 공정(200)에서 DO 센서를 사용하는 것은 각종의 까다로운 문제들을 수반한다. 구체적으로, 이미 설명한 바와 같이, 많은 경우에 반도체 공정(200)에서 활용되는 유체는 가성도가 높고, 이와 동시에 반도체 공정(200) 자체는 오염 가능성이 높다. 따라서 DO 센서(220)는 혹독한 환경에서의 사용을 견뎌내고 가성 및 소분자 화학물질에 의해 야기되는 퇴화에 내성이 있으며, 이와 동시에 예컨대 SEMI F57 명세서 등에 의해 다루어지는 것을 포함한 초고순도 환경과 호환되는 퍼플루오로알콕시 폴리머(PFA), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 등과 같은 비반응성 플라스틱 또는 폴리머 물질로 제조 가능한 일부(예를 들면, 유체와 접속하는 부분) 또는 모든 부분을 갖는 것이 바람직하다.

이러한 관심사 외에, 반도체 공정(200)에서 DO 센서를 사용하는 것과 관련된 추가적인 관심사는 DO 센서(220) 자체의 크기이다. 많은 경우에, 이러한 반도체 공정(200)에서 대형 DO 센서를 사용하는 것은 적당하지 않다(예를 들면, 패키징 또는 공간 문제 때문에). 따라서, 반도체 공정에서 사용하는 DO 센서는 가능한 한 작고 그러한 공정에서 사용할 필요가 있을 때 서브 ppb 또는 ppm(part per million) 농도를 검출할 정도로 충분히 정확한 것이 바람직하다. 그러므로, 이러한 유형의 DO 센서의 바람직한 폼팩터 및 정확도는 중요도가 높은 DO 센서의 컴포넌트들의 패키징을 또한 만들 수 있다.

도 3은 반도체 공정에서 사용하기 위한 바람직한 레벨의 감도를 달성하면서 대부분의 반도체 공정에 통합될 정도로 충분히 작은 DO 센서의 일 실시형태의 블록도이다. DO 센서(300)는 하우징(302)을 포함하고, 하우징(302)은 예를 들면 플라스틱으로 형성될 수 있다. 예컨대 공정 제어 시스템 등과 인터페이스하는 커넥터(308)는 신호(예를 들면, 아날로그 또는 디지털)를 공정 제어 시스템에 제공한다. 이 커넥터(308)는, 예를 들면, RS-232 프로토콜과 일치하는 하나 이상의 핀 또는 핀 출력부를 포함할 수 있다.

소정의 실시형태에 있어서, 하우징(302)은 상부(306)와 하부(304)를 갖는다. 상부(306)는 DO 센서가 방수되도록 예를 들면 가스켓(예를 들면, IP67 호환성)을 이용하여 하부(304)에 결합될 수 있다. 방수성을 돕기 위해, 일부 실시형태에 있어서, 하우징(302) 내의 컴포넌트들도 또한 밀폐될 수 있다. 하우징(302)의 하부(304)는 유동 경로(360)로부터 유체가 유입 또는 유출되도록 배열된 포트(362)를 구비한 유동 경로(360)를 내포한 보디를 포함하거나 상기 보디에 결합된다. 피팅(364)은 DO 센서(300)가 예컨대 반도체 공정 등의 유체 유동 경로에 통합(예를 들면 직접)될 수 있도록 포트(362)를 다른 컴포넌트들에 연결한다.

DO 센서(300)가 상이한 직경의 유체 유동 경로를 포함한 다양한 공정에 통합될 때, DO 센서(300)의 유동 경로의 실시형태들은 그러한 유체 경로에 통합되도록 예컨대 1/4", 3/8", 1/2", 3/4" 및 1" 직경을 포함한 적당한 크기로 될 수 있다. 추가로, 실시형태들은 DO 센서(300)를 활용하는 특수 응용에 적합한 피팅(364), 예를 들면 플레어텍(Flaretek), 프라임록(PrimeLock), 니뽄 필라(Nippon Pillar)(예를 들면, S300) 또는 다른 유형의 피팅을 가질 수 있다.

유동 경로(360)는 유동 경로(360) 내의 유체가 형광체(310)에 직접 접촉하도록 형광체(310)가 위에 부착된 광학적으로 투명한 창(316)을 상기 유동 경로(360) 내의 유체에 노출시키는 개구를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 형광체(310)는 강산 또는 기본 공격에 대하여 불침투성 또는 내성이 있지만 산소가 자유롭게 확산하고 형광막 또는 형광체(310)의 물질과 접촉하게 하는 얇은 유기막 또는 무기막으로 코팅될 수 있다. 온도 센서(312)(예를 들면, 서미스터, 서모커플 등)는 예컨대 접착제 또는 다른 패스너를 이용하여 유체 유동 경로(360)의 반대쪽 창(316)에 장착될 수 있다.

창(316)은 보로실리케이트 글라스, 사파이어, 다이아몬드, 다이아몬드 코팅 글라스, 석영, 방해석, 큐빅 지르코늄 등과 같은 광학적으로 투명한 유전체 물질로 제조될 수 있다. 사파이어 또는 다이아몬드의 열전도성이 비교적 높기 때문에(예를 들면, 보로실리케이트 글라스 등과 비교할 때), 소정의 실시형태는 센서(312)가 유체의 주 유동 경로(360)의 외측에 있는 경우에도 온도 센서(312)가 큰 감도를 가질 수 있도록 창(316)의 재료로서 사파이어 또는 다이아몬드를 활용할 수 있다. 더욱이, 사파이어 또는 다이아몬드의 강도 때문에, 매우 높은 밀폐력이 상기 창(316)에 인가되어 DO 센서(300)가 고압 환경에서 적합하게 되도록 유체 유동 경로(360)가 다른 컴포넌트(예를 들면, 전자부품)으로부터 기밀 밀폐되게 함으로써 약 80 psi(pounds per square inch)의 밀폐 선 압력을 가질 수 있는 고압 환경에서도 DO 센서(300)를 활용할 수 있게 한다. 이러한 밀폐는 예를 들면 산성 유체 또는 기본 유체에 불활성인 고순도 가스켓을 이용하여 달성될 수 있다. 예컨대 반도체 산업의 대부분의 공정이 60psi 이상의 선 압력을 사용하지 않기 때문에, 이러한 실시형태는 이러한 대부분의 공정에서 유용하게 활용될 수 있다.

하우징(302)은 광학 프로브(350) 및 주 인쇄 회로 기판(PCB)(352)을 포함한다. 광학 프로브(350)는 유동 경로(360)로부터 창(316)의 반대측에 있고, 일반적으로 창(316) 및 형광체(310)에 대해 소정 각도로 유동 경로(360)에 대하여 접선으로 정렬될 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 광학 프로브(350)는 일반적으로 창(316) 및 유동 경로에 수직한 축 상에 정렬될 수 있다. 광학 프로브(350)는 광학 프로브 팁(354)(이것은 프로브 슬리브(340)에 일체형으로 형성될 수도 있고, 또는 프로브 슬리브(340)와 별도로 형성되어 프로브 슬리브(340)에 부착될 수도 있음), 수광 가이드(356), 광학 캐리어(370), 광학 PCB(372), 참조 LED(376), 포토다이오드(374), 여자 PCB(380) 상의 여자 LED(378), 및 광 전송 가이드(358)를 구비한 프로브 슬리브를 포함한다. 광학 캐리어(370)와 함께 프로브 슬리브(340)를 사용하면 뒤에서 더 자세히 설명하는 바와 같이 LED(376, 378)로부터의 광의 "슬리핑"(slipping)(예를 들면, 광학적 누화)을 방지하는데 효과적일 수 있다.

여자 LED(378)는 여자 PCB(380) 상의 여자 컴포넌트와 광학 PCB(372) 상의 검출 컴포넌트 등의 컴포넌트 간의 광학적 또는 전기적 누화를 회피하기 위해 광학 PCB(372)와 별개인 자신의 PCB(380)를 갖는다. 일 실시형태에 있어서, 광학적 및 전기적 누화를 더욱 감소시키기 위해, 여자 PCB(380)와 광학 PCB(372)는 광학 캐리어(370)의 반대측에 위치될 수 있고, 여자 LED(378)는 광학 PCB(372)에 (예를 들면, 여자 PCB(380)를 통해) 결합되며 광학 PCB(372) 상의 전자 컴포넌트(390)에 의해 제어되도록 구성된다. 이러한 일부 실시형태에 있어서, 광학 캐리어(370)는 광학 캐리어(370)의 하나의 반구 상에 광학 PCB(372)와 포토다이오드를 구비하고 광학 캐리어(370)의 다른 반구 상에 여자 PCB(380)와 여자 LED(378)를 구비한 원통형일 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 이러한 방식으로 구성된 광학 캐리어(370)를 갖는 것은, 광학적 누화 등이 여전히 회피될 수 있기에 보다 컴팩트한 패키징이 가능하며, 다양한 컴포넌트들(예를 들어, 여자 PCB(380), 광학 PCB(372), 포토다이오드(374), 여자 LED(378) 등)을 여전히 실질적으로 서로 대향하여 위치시키면서 증가된 성능이 달성될 수 있다.

유사하게, 일 실시형태에 있어서, 광학 PCB(372)는 주 PCB(352)와 별개이고 주 PCB(352)에 결합된다. 구체적으로, 일부 실시형태에 있어서, 광학 PCB(372)는 프로브 슬리브(340) 내에 있고 주 PCB(352)는 프로브 슬리브(340)의 외부에 있다. 주 PCB(352)는 전압 조절, 전력 및 아날로그 출력 컴포넌트와 같은 전자 컴포넌트(386)를 내포하고 광학 PCB(372)는 포토다이오드 전단, 온도 센서 전단, 여자 LED 또는 참조 LED에 대한 LED 전단, 디지털/아날로그 컨버터(DAC 또는 ADC), 디지털 신호 프로세서(DSP), 예컨대 제어 모듈 또는 계산 모듈과 함께 펌웨어와 같은 모듈들을 실행하는 마이크로컨트롤러, 또는 교정 데이터 등과 같은 데이터를 저장할 수 있는 스토리지(예를 들면, EEPROM) 등의 전자 컴포넌트(390)를 내포할 수 있다. 비록 DO 센서(300)의 모든 컴포넌트들이 여기에서 주 PCB(352)와 관련하여 설명되지만, 여자 PCB(380)와 광학 PCB(372)는 이러한 유형의 컴포넌트들을 별도의 PCB로 분리함으로써(및 예컨대 광학 PCB(372)를 슬리브(340) 내에 배치하여 상기 컴포넌트들을 추가로 분리함으로써) 단일 PCB(또는 2개의 PCB 등)에 내포될 수 있고, 주 PCB(352) 상의 컴포넌트로부터의 누화가 측정치 또는 광학 PCB(372) 상의 다른 전자 컴포넌트(390)에 영향을 주는 것이 방지될 수 있다.

프로브 팁(354)은 수광 가이드(356) 및 광 전송 가이드(358)를 유도(route)하는 개구를 구비할 수 있다. 수광 가이드(356)는 (예컨대 형광체(310)에 의해 방사된) 광을 포토다이오드(374)로 전도하도록 구성될 수 있다. 수광 가이드(356)는 예를 들면 포토다이오드(374)와 (예를 들면 축 상에서) 정렬된 단일 원통형 폴리머 섬유일 수 있다. 광 전송 가이드(358)는 예를 들면 형광체(310)를 여자 또는 다른 방식으로 조명하기 위해 여자 LED(378)로부터의 광을 프로브 팁(354)의 개구로 전도하도록 구성될 수 있다. 광 전송 가이드(358)는 예를 들면 하나 이상 섬유의 묶음일 수 있다(이것은 수광 가이드(356)보다 더 작은 직경을 가질 수 있다). 일 실시형태에 있어서, 수광 가이드(356) 및 광 전송 가이드(358)는 프로브 팁(354)의 동일한 개구를 통해 유도될 수 있고 광 전송 가이드를 포함한 섬유들의 묶음은 수광 가이드(356)의 원주 주위에서 조명 링을 형성한다.

포토다이오드(374)는 광학 PCB(372)에 결합되고, 광학 PCB(372)의 전자 컴포넌트들은 포토다이오드의 전단(예를 들면, 포토다이오드(374)의 양극 및 음극)을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 전자 컴포넌트(390)는 광학 PCB(372)의 일측에서 포토다이오드(374)의 양극(또는 그에 따른 접속) 및 광학 PCB(372)의 타측에서 포토다이오드(374)의 음극(또는 그에 따른 접속)을 포함할 수 있다. 이러한 배열은 포토다이오드(374)가 광학 PCB(372)와 함께 축 상에서 광학 PCB(372)에 가깝게 장착되게 하여 광학 PCB(372)와 포토다이오드(374)의 조합의 전체 길이를 감소시킬 수 있다. 따라서, 일부 실시형태에 있어서, 포토다이오드(374)와 PCB(372)는 동일 축 상에서 대략적으로 정렬되고, 이때 상기 축은 일반적으로 광학 프로브(350) 자체의 정렬 축일 수 있다(예를 들면, 창(316) 및 유동 경로(360)에 대략 수직하다). 참조 LED(376)도 또한 광학 PCB(372) 상에 장착될 수 있고, 일 실시형태에 있어서, 포토다이오드(374)의 직접 조명이 가능하도록(예를 들면, 포토다이오드(374)가 참조 LED(376)로부터 직접 방사된 광을 검출하고 수광 가이드(356)를 통해 이동되지 않도록) (적어도 부분적으로 투명인) 포토다이오드(374) 뒤에 장착될 수 있다. 이러한 조명은 조리개 또는 다른 수단에 의해 제한될 수 있다.

소정의 실시형태에 있어서, 광학적 누화를 방지하고 형광 검출을 증가시키기 위해 하나 이상의 광섬유 또는 광섬유들의 조합을 활용할 수 있다. 활용되는 섬유의 수 및 유형은 여자 LED(378)(예를 들면, 여자 LED(378)의 색) 또는 형광체(310)의 화학적 성질(예를 들면, 형광체(310)에 의해 방사되는 광의 파장)에 의존할 수 있다. 여기에서 설명하는 실시형태에서 활용되는 LED의 각종 실시형태는 원하는 거의 모든 색(예를 들면, 적색, 청색, 녹색 등)일 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 일부 실시형태에 있어서, 형광체(310)는 형광체가 실질적으로 적색 파장으로 방사하도록 선택되고, 여자 LED(378)는 실질적으로 대략 525nm의 녹색 파장 및 약 800 밀리칸델라(mcd)의 광도로 방사하도록 선택될 수 있다. 그러한 실시형태에 있어서, 여자 LED(378) 앞에서 녹색 필터를 사용함으로써 형광체(310)를 여자하기 위해 원하는 녹색 파장만이 광 전송 가이드(358)에 의해 전도되게 할 수 있다. 유사하게, 수광 가이드(356)와 포토다이오드(374) 사이에서 적색 필터를 사용함으로써 형광체(310)에 의해 방사된 적색 광만이 포토다이오드(374)에 의해 (예를 들면, 수광 가이드(356)를 통해) 수신되게 할 수 있다.

소정 실시형태의 동작시에, 제어부에서 실행되는 제어 모듈 등의 전자 컴포넌트(390)는 측정 사이클을 수행할 수 있다. 소정 실시형태에 있어서, 측정 사이클은 예를 들면 약 1초일 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 측정 사이클은 2개의 부분, 즉 여자 부분과 참조 부분을 포함하고, 일부 실시형태에 있어서, 상기 각 부분은 측정 사이클의 대략 절반일 수 있다. 측정 사이클은 더 길거나 더 짧을 수 있고, 단지 하나의 부분(예를 들면, 여자 부분)만을 포함할 수 있으며, 또는 크기가 다른 부분들을 포함할 수 있다.

측정 사이클의 여자 부분 중에, 전자 컴포넌트(390)는 여자 LED(378)를 제어하고 여자 LED(378)에 의한 조명에 응답하여 (유동 경로(360) 내의 유체와 접촉하는) 형광체(310)에 의해 방사된 광의 위상 또는 크기에 대응하는 여자 신호를 결정할 수 있다. 구체적으로, 여자 부분 중에 전자 컴포넌트(390)는 여자 LED(378)를 소정의 주파수로 동작시킬 수 있고, 상기 소정의 주파수는 일 실시형태에 있어서 약 16KHz일 수 있다. 여자 부분 중에 여자 LED(378)가 동작(예를 들면, 조명)될 때마다 여자 LED(378)에 의해 방사된 광은 광 전송 가이드(358), 프로브 팁(354)의 개구 및 광학적으로 투명한 창(316)을 통해 형광체(310)를 조명한다. 이 조명에 응답하여, 형광체(310)는 광을 방사하고 유동 경로(360) 내 유체의 산소 존재에 기초하여 소멸된다. 형광체(310)에 의해 방사된 광은 창(316)을 통과하여 수광 가이드(356)에서 수신되며 포토다이오드(374)로 전도되어 포토다이오드(374)가 상기 수신된 광에 응답하여 신호를 발생한다.

이 신호는 전자 컴포넌트(390)에 의해 수신되고, 전자 컴포넌트(390)는 포토다이오드(374)로부터의 신호에 기초하여 여자 신호를 발생한다. 이 여자 신호는 예를 들면 형광체(310)에 의해 방사되어 포토다이오드(374)를 통해 수신된 광의 크기 또는 위상에 대응한다. 그러한 실시형태에 있어서, 최종 여자 신호는 여자 LED(378)가 측정 사이클의 여자 부분 중에 동작할 때마다 발생된 여자 신호를 이용하여 결정될 수 있다. 이 최종 여자 신호는 예를 들면 여자 LED(378)가 여자 부분 중에 동작할 때마다 발생된 여자 신호의 평균일 수 있다.

또한, 일 실시형태에 있어서, 상기 여자 부분 중에, 전자 컴포넌트(390)는 온도 센서(312)로부터 하나 이상의 신호를 수신할 수 있다. 이 수신 신호는 유동 경로(360) 내 유체의 온도 측정치를 결정하기 위해 (예를 들면, 변조, 피크 검출기 등을 이용하여) 전자 컴포넌트(390)에 의해 처리될 수 있다. 온도 측정치는 측정 사이클 중의 임의 지점에서 결정될 수 있다는 점에 주목한다.

그 다음에, 측정 사이클의 참조 부분 중에, 전자 컴포넌트(390)는 참조 LED(376)를 소정의 주파수로 동작시킬 수 있고, 상기 소정의 주파수는 일 실시형태에 있어서 여자 LED(378)가 측정 부분 중에 동작한 것과 동일한 주파수인 약 16KHz일 수 있다. 참조 부분 중에 참조 LED(376)가 동작(예를 들면, 조명)될 때마다 참조 LED(376)에 의해 방사된 광은 (예를 들면, 광학 PCB(372)에 근접하게 장착된 포토다이오드(374)의 후부를 통해) 포토다이오드(374)에 의해 직접 수신될 수 있고, 포토다이오드(374)는 상기 수신된 광에 응답하여 신호를 발생한다.

이 신호는 전자 컴포넌트(390)에 의해 수신되고, 전자 컴포넌트(390)는 포토다이오드(374)로부터의 신호에 기초하여 참조 신호를 발생한다. 이 참조 신호는 예를 들면 참조 LED(376)에 의해 방사되어 포토다이오드(374)를 통해 수신된 광의 크기 또는 위상에 대응한다. 그러한 실시형태에 있어서, 최종 참조 신호는 참조 LED(376)가 측정 사이클의 참조 부분 중에 동작할 때마다 발생된 참조 신호를 이용하여 결정될 수 있다. 이 최종 참조 신호는 예를 들면 참조 LED(376)가 참조 부분 중에 동작할 때마다 발생된 참조 신호의 평균일 수 있다.

그 다음에, 전자 컴포넌트(390)는 측정 사이클의 여자 부분 중에 발생된 여자 신호를 이용하여 유동 경로(360) 내 유체의 산소 농도의 측정치를 표시하는 신호를 발생한다. 구체적으로, 형광체(310)에 의해 방사되는 광의 감쇠 시간은 유체 내 용존 산소 농도에 대해 역선형 관계를 가질 수 있다. 따라서, 여자 신호는 유체 내 용존 산소가 형광체(310)의 형광 물질과 상호작용하여 그 물질의 형광량을 소멸 또는 감소시킬 때 형광의 감소에 대응하는 감쇠 시간 또는 감쇠 시상수를 도출하기 위해 사용될 수 있다.

특히, 소정의 실시형태에 있어서, 여자 신호의 위상이 결정될 수 있다. 추가로, 광학 PCB(372) 상의 것과 같은 센서 전자기기에서의 지연은 측정 사이클의 참조 부분 중에 결정된 참조 신호(예를 들면, 참조 신호의 위상)를 이용하여 결정될 수 있다. 전자 컴포넌트(390)는 참조 LED(376)를 변조(예를 들면, 16KHz로)하기 위한 신호를 발생하고 참조 LED(376)로부터의 광이 포토다이오드(374)에서 수신된 때 포토다이오드(374)로부터 신호를 수신하기 때문에, 여자 신호와 참조 신호 간의 위상차는 전자(및 아마도 다른) 컴포넌트(390)에서의 지연 또는 DO 센서(300)의 온도 감도 등과 연관된다. 따라서, 참조 신호(예를 들면, 참조 신호의 위상)는 여자 신호를 조정하여 예컨대 전자 컴포넌트(390)에서의 지연 또는 온도 감도 등에 기인하는 여자 신호의 임의의 위상 편이를 제거하기 위해 사용할 수 있다. 여자 신호의 보정된 위상은 (측정 사이클의 여자 부분 중의 변조 신호와 여자 신호(예를 들면, 최종 여자 신호) 간의 위상차를 결정함으로써) 여자 부분 중에 형광체(310)의 형광의 감쇠 시간을 정확하게 결정하기 위해 사용될 수 있다. 그 다음에, 유체 내 산소 농도의 측정치가 형광체(310)의 공지된 감쇠 시상수와 상기 결정된 감쇠 시간 간의 관계에 기초하여 결정될 수 있다. 이 측정치는 예를 들면 전자 컴포넌트(390)(예를 들면, EEPROM 등)에 저장된 센서에 대한 교정 데이터를 이용하여 결정될 수 있다.

일부 실시형태에 있어서, 상기 농도 측정치는 여자 부분 중에 결정된 온도 값을 이용해서 또는 액체 내의 산소 농도와 온도 간의 공지된 관계를 이용하는 측정 사이클 중에 다른 방식으로 추가 조정될 수 있다. 측정 온도 값을 이용한 보정은 유체 온도의 과도적 변화 또는 정상상태 변화에 대한 실질적으로 실시간 보상을 가능하게 한다. 측정치는 전자 컴포넌트(390)(예를 들면, EEPROM 등)에 저장된 온도 교정 데이터를 이용하여 보상될 수 있고, 상기 교정 데이터는 산소 부재시에(예를 들면, 순수한 질소 내에서) 하나의 온도로 및 대기 중에서 획득된 영점 교정 데이터를 포함한다.

추가로, 전자 컴포넌트(390)는 측정 사이클 중에 형광체(310)의 상태를 표시하는 알람 상태를 결정할 수 있다. 여기에서 전자 컴포넌트(390) 내의 교정 데이터는 형광체(310)의 형광의 명목상 크기를 포함할 수 있다. 이 명목상 크기는 DO 센서(300)의 교정 중에(예를 들면, 대기 중에서 DO 센서(300)를 교정할 때) 결정될 수 있고, 그 크기에 대하여 바람직한 절대치일 수 있으며, 또는 다른 방식으로 결정될 수 있다. 전자 컴포넌트(390)는 여자 부분 중에 발생된 여자 신호의 크기를 교정 중에 결정된 형광의 명목상 크기와 비교하여 여자 신호의 크기가 상기 교정 중에 결정된 명목상 크기의 소정의 역치(예를 들면, 50%, 20% 등) 내에 있는지 또는 역치 밖에 있는지 결정할 수 있다. 이 역치는 예를 들면 교정 중에 사용자가 구성할 수 있다. 만일 여자 신호의 크기가 상기 명목상 크기의 소정 역치 밖에 있으면 형광체(310)의 교체 필요성을 표시하는 알람 플래그가 설정될 수 있다. 일부 경우에, 알람 상태는 매 측정 사이클마다 결정되지 않을 수 있고, 또는 공정 제어부 등에 의해 특정된 때에만 결정될 수 있다는 점에 주목한다.

그 다음에, 전자 컴포넌트(390)는 산소 농도 측정치, 온도 또는 알람 상태를 표시하는 신호를 주 PCB(352)에 제공할 수 있다. 그 다음에, 주 PCB(352)의 전자 컴포넌트(388)는 커넥터(308)를 통해 산소 농도, 온도 또는 알람 상태(이것은 아날로그 또는 디지털과 같은 동일 포맷, 또는 다르게 조정된 다른 포맷 등일 수 있다)에 대한 대응하는 신호를 제공한다.

도 4a-4c는 전술한 것과 같은 DO 센서의 일 실시형태의 분해도를 보인 것이다. 도시된 컴포넌트들은 예로서 제공된 것이고, 다른 실시형태들은 도시된 각각의 컴포넌트를 이용할 수도 있고 이용하지 않을 수도 있으며, 또는 더 적은 수의 컴포넌트를 이용할 수 있고, 컴포넌트들의 기능을 결합하는 것 등도 가능하다. DO 센서(400)는 플라스틱 등으로 제조된 상부 하우징(402) 및 상기 상부 하우징(402)과 동일하거나 유사한 물질로 제조된 하부 하우징(406)을 포함한다. 상부 하우징(402)과 하부 하우징(406)은 나사 및 와셔 등을 이용하여 함께 결합될 수 있고, 그 사이에는 가스켓(404)이 개재된다. 추가로, 터크(Turck) 12핀 커넥터 등과 같은 커넥터(410)가 상부 하우징(402)에 결합될 수 있다. 주 PCB(452)는 와이어가 주 PCB(452)로부터 상부 하우징(402)을 통해 커넥터(410)까지 이어지도록 상부 하우징(402) 내에 적어도 부분적으로 존재할 수 있다.

전술한 바와 같은 유체 유동 경로를 포함한 유동 경로 보디(408)는 PTFE 또는 유사한 SEMI 57 호환 물질로 제조될 수 있고, 예를 들면 나사(432) 및 와셔를 이용하여 보디(408)의 바닥에 결합된 장착판(412)을 구비할 수 있다. 유동 경로 보디(408)의 최상부는 유동 경로 보디(408) 내의 유동 경로에 대한 개구(414)를 구비할 수 있다.

광학 프로브(440)는 하부 하우징(406) 내에 적어도 부분적으로 유지될 수 있고, 하부 하우징(406)은 광학 프로브(440)의 팁이 유동 경로 보디(408) 내의 유동 경로에 대해 개구(414)에서 밀폐된 광학 창(426)으로부터 소정의 작업 거리에 있도록 유동 경로 보디(408)에 결합될 수 있다. 상기 작업 거리는 광학 창을 통하여 이동하는 광이 광학 프로브(440)의 팁을 통해 수신되게 하는 상기 광학 프로브의 팁과 상기 광학 창(426) 간의 공극(air gap)일 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 이러한 작업 거리는 예를 들면 약 0.045"일 수 있다. 구체적으로, 오링(o-ring)(420), 형광체(424), 창(426)(예를 들면, 사파이어 등), 리테이너(428) 및 리테이너 너트(430)(PVDF 등으로 제조될 수 있음)와, 비톤(Viton) 등으로 제조될 수 있는 오링(442)이 하부 하우징(406)을 유동 경로 보디(408)에 결합하는 데 사용될 수 있다.

일 실시형태에 있어서, 유동 경로 보디(408)는 유동 경로에 대한 개구(414) 주위에 환상 오링(420)을 수용하도록 구성된 렛지(ledge)를 구비할 수 있다. 형광체(424)는 창(426)에 부착되고 그 조합은 형광체(424)가 유동 경로 보디의 유동 경로 내 유체와 접촉하도록 리테이너(428) 및 리테이너 너트(430)를 이용하여 밀폐될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 개구(414) 근처의 유동 경로 보디(408)의 주변과 리테이너 너트(430)는 둘 다 나삿니가 형성되어 리테이너 너트(430)를 바람직한 압력으로 죄거나 회전시킴으로써 바람직한 밀폐력이 창(426)에 인가될 수 있다.

리테이너(428)와 리테이너 너트(430)는 둘 다 환상일 수 있고 광학 프로브(440)의 팁이 광학적으로 투명한 창(426)으로부터 바람직한 작업 거리에 배치될 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 리테이너(428)는 리테이너 너트(430)보다 내부 원주가 더 작아서 광학 프로브(440)의 팁 부분이 그 위에 보유되거나 다른 방식으로 접촉하는 선반을 리테이너(428)가 제공하게 한다. 하우징의 하부 보디(406)는 오링(442)을 이용하여 유동 경로 보디(408)에 밀폐될 수 있다. 구체적으로, 소정의 실시형태에 있어서, 하부 하우징(406)은 장착판(412)을 유동 경로 보디(408)에 고정하는 동일한 나사(432)를 이용하여 유동 경로 보디(408)에 결합되고 상기 나사(408)를 바람직한 값으로 조이거나 회전시킴으로써 유동 경로 보디(408)와 하부 보디(406) 사이의 오링(442)에 바람직한 밀폐력이 인가되게 할 수 있다. 다시 말해서, 일부 실시형태에 있어서, 유동 경로 보디(408)는 나사(432)용의 관통공을 구비하고 하부 하우징(406)은 나사(432)를 수용하기 위한 나사공을 구비할 수 있다.

리테이너(428) 및 리테이너 너트(430)와 별도의 창(426) 및 형광체(424)를 사용하면 유지관리 또는 서비스 가능성과 관련하여 많은 장점을 가질 수 있다. 구체적으로, 전술한 바와 같이, 형광체(424)는 유동 경로 보디(408)의 유동 경로를 통해 흐르는 유체 내 산소에 대한 노출 및 시간에 따라 퇴화할 수 있다. 사실, 상기 유체 내의 산소 농도가 크면 클수록 퇴화 속도가 더 빨라진다. 따라서, DO 센서의 적절한 동작을 보장하기 위해 형광체(424)는 매 1년 내지 2년마다 교체되는 것이 일반적이다.

과거에는 이러한 형광체의 교체에 있어서 적어도 2가지의 주요 장애가 있었다. 첫번째는 형광체를 교체해야 할 시점을 결정하는 것이 매우 어려웠다는 것이다. 이미 언급하였고 뒤에서 더 자세히 설명하겠지만, 여기에서 설명하는 DO 센서의 실시형태들은 형광체를 교체해야 할 때를 표시하는 알람 신호를 제공할 수 있다. 형광체의 교체가 필요한 때의 공정을 운영자에게 정확히 통보함으로써 공정의 정확도가 유지되고 비용적 소모가 회피될 수 있다.

다른 주 장애는 형광체 자체의 교체성(replaceability)이었다. 많은 경우에 형광체는 DO 센서의 영구 부품에 고착되었기 때문에 교체가 불가능하였다. 더욱이, 교체가 가능한 경우에도 교체를 쉽고 간단한 방식으로 할 수 없었다. 여기에서, 리테이너(428) 및 리테이너 너트(430)와 별도의 창(426) 및 형광체(424)를 사용하면, 유체 누출을 방지하고 SEMI 57 또는 IP 67 호환성을 유지하기 위해 적당한 밀폐력이 창에 인가되게 하면서 창(426) 또는 형광체(424)의 교체를 용이하게 함으로써(이들은 일 실시형태에 있어서 하나의 단위로서 교체되거나 동시에 교체될 수 있다) DO 센서의 현장 서비스가 가능하다. 특히, 하부 하우징(406)은 유동 경로 보디(408)로부터 쉽게 분리되고 리테이너 너트(430)는 (예를 들면, 렌치 등을 이용하여) 쉽게 제거될 수 있어서 창(426) 또는 형광체(424)(또는 언급한 바와 같이 하나의 단위로서 둘 다)에 대한 접근 및 그 교체가 가능해진다. 교체 시간을 줄이고 DO 센서의 현장 서비스를 가능하게 함으로써 프로세스 다운타임이 크게 감소된다.

이제, 도 5를 참조하면, DO 센서 실시형태의 하부 하우징과 유동 경로 보디 간의 인터페이스의 일 실시형태의 근접 횡단면도가 도시되어 있다. 도시된 컴포넌트들은 역시 예로서 제공된 것이고, 다른 실시형태들은 도시된 각각의 컴포넌트를 이용할 수도 있고 이용하지 않을 수도 있으며, 또는 더 적은 수의 컴포넌트를 이용할 수 있고, 컴포넌트들의 기능을 결합하는 것 등도 가능하다는 것을 이해할 것이다. 특히, 하부 하우징(550)은 유동 경로 보디(510)의 개구에 맞도록 적응된 하위 부분(552)(이것은 예를 들면 원형일 수 있다)을 포함한다. 상기 개구는 (개구 주위에서 환형일 수 있는) 립(560)을 구비하고 하부 하우징(550)의 하위 부분(552)과 상기 립(560)은 서로 접촉하도록 적응된다. 오링(562)은 하부 하우징의 하위 부분(552)과 유동 경로 보디(510) 사이의 인터페이스를 밀폐시키는데 소용된다.

유동 경로 보디(510)는 전술한 바와 같이 유체 유동 경로(512)를 포함한다. 유체 유동 경로(512)는 유동 경로(512) 내의 유체가 유동 경로 보디(510)의 개구(516)에 노출되게 하는 "T"자 부분(보울(bowl)이라고도 부른다)(514)을 포함한다. 개구(516)는 원주가 약 0.25"이고 깊이가 0.2"일 수 있다. 유동 경로 보디(510)는 개구(516) 주위에 환상 채널(556)을 구비하고 채널의 바닥은 보울(514)의 최상부보다 낮다. 채널(516) 내에는 오링(518)이 존재할 수 있고, 비압축 상태에서 오링(518)의 최상부는 채널(516)의 내벽을 포함한 유동 경로 보디(510)의 부분보다 높거나 그 부분과 평탄할 수 있다. 형광체(524)는 창(526)에 부착되고 그 조합이 개구(516) 내에 배치되며 리테이너(528)와 리테이너 너트(530)를 이용하여 밀폐되어 형광체(524)가 보울(514)의 개구(516)에서 유동 경로(512) 내 유체와 접촉할 것이다. 구체적으로, 개구(516) 위에 있는 유동 경로 보디(510)의 내벽의 일부는 리테이너 너트(530)의 외주면과 같이 나삿니가 형성된다. 따라서, 리테이너 너트(530)는 리테이너(528)를 통하여 형광체(524)에 바람직한 밀폐력을 제공하도록 조여질 수 있다. 이 밀폐력은 오링(518)을 압축하고 액체(또는 그 분자)가 유체 유동 경로(512)를 빠져나가지 못하도록 기밀 밀폐를 제공한다.

광학 프로브(558)의 팁(536)은 팁의 각 부분이 상이한 원주를 갖도록 단(step)을 이룰 수 있다. 팁(536)의 하나의 단은 창(526)으로부터 소정의 작업 거리에 유지되도록 리테이너(528)에 접촉하고 팁(536)의 다른 단은 리테이너 너트(530)와 접촉할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 팁(536)은 압축기(540)가 유체 유동 경로(512)의 반대쪽 창(526)에 부착된 온도 센서(542)를 압축하도록 압축기(540)(예를 들면, 실리콘, 고무 등으로 제조됨)에 대한 리셉터클을 구비한다. 팁(536)은 또한 와이어를 온도 센서(542)로부터 광학 프로브(558)의 전자 컴포넌트로 유도하는 하나 이상의 홀(도시 생략됨)을 구비할 수 있다. 광 전송 가이드의 단부 및 수광 가이드의 단부는 팁(536)의 개구를 통하여 유도될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 광 전송 가이드 또는 수광 가이드는 광 전송 가이드 또는 수광 가이드를 둘러싸는 팁 내의 광학 슬리브에 의해 내포될 수 있다.

이제, 도 6a-6c를 참조하면, 전술한 것과 같은 DO 센서에서 사용될 수 있는 광학 프로브의 일 실시형태의 분해도가 도시되어 있다. 여기에서 설명하는 다른 실시형태들과 마찬가지로, 도시된 컴포넌트들은 예로서 제공된 것이고, 다른 실시형태들은 도시된 각각의 컴포넌트를 이용할 수도 있고 이용하지 않을 수도 있으며, 또는 더 적은 수의 컴포넌트를 이용할 수 있고, 컴포넌트들의 기능을 결합하는 것 등도 가능하다는 것을 이해할 것이다. 광학 프로브(600)는 프로브 팁(602)에 결합된 슬리브(680)를 포함한다. 광학 캐리어(604)는 슬리브(680) 내에 배치된다. 광학 캐리어(604)는 일반적으로 원통형이다. 광학 캐리어(604)의 일측, 즉 한쪽 반구에는 여자 LED를 포함한 여자 PCB(642)를 수용하도록 적응된 만입부(indentation)가 있다. 여자 PCB(642)는 예컨대 나사, 접착제 또는 다른 패스너를 이용하여 광학 캐리어(604)에 부착될 수 있다. 광 전송 가이드(644)는 광 전송 슬리브(618) 내에 배치되고 프로브 팁(602)의 중앙에 있는 대략 원형인 개구를 통하여 유도될 수 있다. 광학 필터(612)(예를 들면, 전술한 바와 같이 녹색 필터 등)는 여자 PCB(642) 상의 여자 LED와 광학 슬리브(618) 사이에서 광학 캐리어(604)에 부착될 수 있다. 광학 캐리어(604)의 이 측면은 와이어(626)를 예컨대 여자 PCB(642)로부터 광학 PCB(606)로 또는 온도 센서(도시 생략됨)로부터 광학 PCB(606)로 유도하기 위한 채널을 또한 구비할 수 있다. 광학 캐리어(604)의 이 측면의 일부(670)는 분리기(divider) 및 광학 PCB(606)의 장착점으로서 소용되는 장벽을 형성할 수 있다. 이 부분(670)은 광학 캐리어(604)의 원주부 주위의 벽일 수 있다.

광학 캐리어(604)의 다른 측은 광학 캐리어(604)를 관통하는 원통형 구멍을 구비하여 수광 가이드(664)가 이 원통형 구멍을 통해서 및 프로브 팁(602)의 중앙에 있는 개구를 통해서 유도되게 한다. 소정의 실시형태에 있어서, 상기 원통형 구멍 내에 있지 않은 수광 가이드 부분은 광학 슬리브 내로 들어갈 수 있다. 전술한 바와 같이, 일부 실시형태에 있어서, 광 전송 가이드(644)와 수광 가이드(664)는 프로브 팁(602)의 동일한 홀을 통해 유도되고 광 전송 가이드(644)는 조명 링 등을 형성하도록 수광 가이드(664)를 둘러쌀 수 있다. 수광 가이드(664)는 예를 들면 직경이 2mm인 단일 광섬유이고 광 전송 가이드(644)는 직경이 0.5mm인 광섬유의 묶음(예를 들면, 10-15개)일 수 있다.

포토다이오드(610)는 포토다이오드(610)의 양극과 음극을 광학 격막(608) 내의 하나 이상의 홀을 통해 유도함으로써 참조 LED를 구비한 광학 PCB(606)에 장착된다. 광학 격막(608)은 광학 PCB(606)의 참조 LED에 의해 방사된 광이 포토다이오드(610)를 직접 조명하게 하는 홀을 또한 구비할 수 있다. 그러한 홀은 조명을 제한하는 조리개로서 또한 소용될 수 있다. 광학 PCB(606)는 포토다이오드(610)가 광학 캐리어(604)의 원통형 구멍에 위치될 수 있도록 광학 캐리어(604)의 일부(670)에 부착될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 핫 미러(614)의 양 측면에 있는 필터(616)들은 프로브 팁(602)의 개구로부터 멀리 있는 수광 가이드(664)의 단부와 포토다이오드(610) 사이의 상기 원통형 구멍에 위치될 수 있다.

광학 PCB(606), 여자 PCB(642), 및 광학 캐리어(604)에 장착되거나 광학 캐리어(604)를 통해 다른 방식으로 유도되는 모든 컴포넌트들을 포함한 광학 캐리어(604)는 프로브 슬리브(680) 내에 배치되고 프로브 팁(602)은 예를 들면 접착제 등을 이용하여 프로브 슬리브(680)의 단부에 부착될 수 있다. 추가로, 온도 센서의 압축을 위한 압축기(676)는 프로브 팁(602)의 리셉터클에 부착될 수 있다.

이제 전술한 DO 센서의 각종 실시형태에 대한 소정 컴포넌트의 더 많은 특정 실시형태를 살펴보는 것이 유용할 것이다. 도 7 내지 도 10에 도시된 컴포넌트들의 실시형태는 (예를 들면, 상부 하우징, 하부 하우징 및 유동 경로 보디의 조합에 대하여) 높이가 약 5.75"인 DO 센서(예를 들면, 상부 하우징, 하부 하우징 및 유동 경로 보디의 조합)에 맞는 적절한 크기로 될 수 있고, 이때 하우징(예를 들면, 상부 및 하부 하우징)은 약 1.75"의 크기를 갖는다. 모든 치수들은 근사치이고 그 특정의 실시형태에만 적용될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 다른 실시형태들은 다른 치수를 가진 동일 컴포넌트를 이용할 수 있고, 그러한 컴포넌트를 이용하지 않을 수 있으며, 또는 더 적은 수의 컴포넌트를 구비할 수 있다.

상기 사항들을 염두에 두고, 도 7a-7c는 DO 센서에서 사용하는 광학 프로브의 슬리브의 일 실시형태를 보인 것이고, 도 8a-8h는 도 7a-7c의 슬리브에서 사용하는 광학 캐리어의 일 실시형태를 보인 것이다. 여기에서 광학 캐리어(800)는 광학 PCB가 광학 캐리어(800)의 부분(804)에 부착될 때 광학 PCB에 장착된 포토다이오드가 위치되는 챔버(802)를 포함한다는 점에 주목한다. 그러한 배열에서, 구멍(806)은 DO 센서의 창에서 먼 수광 가이드의 단부가 챔버(802) 내의 포토다이오드에 근접하도록 수광 가이드 또는 그 일부를 수용할 수 있다. 리세스(808)는 여자 LED가 구멍(810) 내에 내포된 광 전송 가이드를 조명하도록 여자 PCB를 수용하게끔 설계될 수 있다. 광학 캐리어(800)의 벽(812)이 광학 PCB, 포토다이오도 및 수광 가이드를 여자 PCB, 여자 LED 및 광 전송 가이드로부터 분리할 때, 광학 캐리어(800)는 그러한 광학 캐리어에서 사용되는 DO 센서에서 광학적 누화 및 전기적 누화 둘 다를 크게 감소시킨다.

도 9는 포토다이오드와 광학 PCB 사이에서 사용되는 광학 격막(900)의 실시형태를 보인 도이다. 여기에서 광학 격막은 광학 PCB를 지지하기 위한 3개의 가지(prong)(902)와 3개의 관통공(904)을 갖는다는 점에 주목한다. 2개의 관통공(904a, 904b)은 포토다이오드의 양극과 음극이 가지(902)에 의해 지지되는 광학 PCB의 반대측에 납땜 또는 다른 방식으로 부착되도록 포토다이오드의 양극과 음극을 유도하기 위한 것이다. 제3의 관통공(904c)은 포토다이오드가 납땜된 광학 PCB에 장착된 참조 LED가 뒤로부터 상기 포토다이오드를 조명하게 하고, 추가로 그러한 조명의 제한을 제공할 수 있다.

도 10a 및 도 10b는 프로브 팁(1000)의 일 실시형태를 보인 도이다. 여기에서 프로브 팁(1000)은 광 전송 가이드 및 수광 가이드를 유도할 수 있는 관통공(1002)을 갖는다는 점에 주목한다. 프로브 팁(1000)은 DO 센서의 창에 부착된 온도 센서로부터의 와이어를 유도하는 하나 이상의 관통공(1004)를 또한 구비한다. 추가로, 프로브 팁(1000)은 창에 부착된 온도 센서를 압축하기 위해 (예를 들면, 고무 또는 실리콘으로 만들어진) 압축기가 위치될 수 있는 리세스(1006)를 가질 수 있다.

이제 여기에서 설명하는 것과 같은 DO 센서의 실시형태를 교정 또는 동작시키는 방법을 설명하는 것이 여기에서 설명하는 실시형태들을 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 방법은 전술한 DO 센서의 전자 컴포넌트(예를 들면, 하드웨어, 소프트웨어 또는 임의의 조합)를 이용하여 수행될 수 있다. 도 11은 DO 센서를 교정하는 실시형태를 보인 것이다. 단계 1110에서, 제로 교정이 수행될 수 있다. 이러한 교정에 있어서, 센서는 예를 들면 DO 센서를 순수 질소 환경에서 교정함으로써 실질적으로 무산소 환경에서 교정될 수 있다. 영점 교정(zero point calibration)은 공지된 온도 값에서 행하여질 수 있고, 그러한 환경에서 센서와 연관된 출력 값을 결정, 조정 또는 설정하기 위해 사용된다.

단계 1120에서, 100% 교정이 수행될 수 있다. 이 단계에서 온도는 공지된 온도 값으로 유지되고 센서는 대기에 노출될 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, DO 센서는 안정된 산소 레벨이 확립될 수 있도록 적어도 30분 동안 대기에 노출될 수 있다. 100% 교정은 공지된 온도 값으로 행하여지고, 그러한 환경에서 센서와 연관된 출력 값을 결정, 조정 또는 설정하기 위해 사용된다. 예를 들면, 그러한 교정은 측정 사이클 중에 측정된 온도가 온도와 산소 농도 간의 관계에 기초하여 산소 농도 측정치를 보상 또는 다른 방식으로 조정하기 위해 사용되게 할 수 있다.

추가로, 소정의 실시형태에 있어서, 100% 교정 중에 DO 센서의 형광체에 대한 형광 값의 크기가 결정될 수 있다. 이 형광 값의 크기는 예를 들면 교정 처리 중에 형광체로부터 수신된 광 강도의 최대치 또는 형광체의 복수 조명에 대하여 형광체로부터 수신된 광의 최대 강도의 평균 등일 수 있다. 이 형광 값의 크기는 DO 센서(예를 들면, EEPROM 등)에 저장될 수 있다.

일 실시형태에 있어서, (예컨대 반도체 공정에서의 설치(installation)시에) 사용되는 유체의 존재하에 DO 센서를 교정하는 것이 또한 가능하다. 따라서, 형광 값의 크기는, 일부 실시형태에 있어서, 특정 유체가 존재할 때 DO 센서의 교정을 수행함으로써 결정될 수 있고, 형광 값의 크기는 그 특정 공정 유체와 관련하여 결정될 수 있다.

도 12는 여기에서 설명한 DO 센서의 실시형태에 의해 수행될 수 있는 유동 경로 내 유체의 산소 농도를 결정하는 방법의 일 실시형태를 보인 것이다. 측정 사이클은 여자 부분(1210)과 참조 부분(1250)을 포함할 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 측정 사이클은 예를 들면 약 1초일 수 있고, 일부 실시형태에 있어서, 각 부분은 측정 사이클의 약 절반일 수 있다. 측정 사이클은 더 길거나 더 짧을 수 있고, 단지 하나의 부분(예를 들면, 여자 부분)만을 포함하거나 크기가 다른 부분들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

측정 사이클의 여자 부분(1210) 중에, 단계 1212에서, 여자 LED가 동작된다. 일 실시형태에 있어서, 여자 LED는 소정 주파수로 동작(점등 및 소등 또는 펄스)하고, 상기 소정 주파수는 일 실시형태에 있어서 약 16KHz일 수 있다. 여자 부분(1210) 중에 여자 LED가 동작(예를 들면, 조명)할 때마다 여자 LED에 의해 방사된 광은 여자 LED로부터 광 전송 가이드 및 프로브 팁의 개구를 통하여 DO 센서의 형광체를 조명한다. 이 조명에 응답하여, 형광체는 광을 방사하고 유동 경로 내 유체의 산소 존재에 기초하여 소멸된다. 단계 1214에서, 상기 형광체에 의해 방사된 광은 포토다이오드에 의해 수신되고 포토다이오드는 상기 수신된 광에 응답하여 신호를 발생한다. 그 다음에 단계 1216에서, 상기 포토다이오드로부터의 신호에 기초하여 여자 신호가 발생된다. 이 여자 신호는 예를 들면 형광체에 의해 방사되어 포토다이오드를 통해 수신된 광의 크기 또는 위상에 대응한다. 단계 1218에서, 여자 LED가 측정 사이클의 여자 부분(1210) 중에 동작할 때마다 발생된 여자 신호를 이용하여 최종 여자 신호가 결정될 수 있다. 이 최종 여자 신호는 예를 들면 여자 LED가 측정 사이클의 여자 부분(1210) 중에 동작할 때마다 발생된(단계 1216에서) 여자 신호의 평균일 수 있다.

그 다음에, 측정 사이클의 참조 부분(1250) 중에, 참조 LED가 소정의 주파수로 동작할 수 있고(단계 1252), 상기 소정의 주파수는 일 실시형태에 있어서 여자 LED가 여자 부분(1210)에서 동작한 것과 동일한 주파수인 약 16KHz일 수 있다. 참조 부분(1250) 중에 참조 LED가 동작(예를 들면, 조명)할 때마다 참조 LED에 의해 방사된 광은 포토다이오드에 의해 직접 수신될 수 있고(단계 1254), 포토다이오드는 상기 수신된 광에 응답하여 신호를 발생한다.

단계 1256에서, 포토다이오드로부터의 신호에 기초하여 참조 신호가 발생한다. 이 참조 신호는 예를 들면 참조 LED에 의해 방사되어 포토다이오드를 통해 수신된 광의 크기 또는 위상에 대응한다. 단계 1258에서, 참조 LED가 측정 사이클의 참조 부분(1250) 중에 동작할 때마다 발생된 참조 신호를 이용하여 최종 참조 신호가 결정될 수 있다. 이 최종 참조 신호는 예를 들면 참조 LED가 동작할 때마다 발생된 참조 신호의 평균일 수 있다.

또한, 단계 1260에서, 측정 사이클의 소정 지점(이것은 여자 부분 중, 참조 부분 중, 부분들 사이, 부분들 후, 측정 사이클 중의 복수의 지점에서 취한 복수의 온도 측정치의 평균 등일 수 있음)에서, DO 센서의 유동 경로 내 유체의 온도가 온도 센서로부터 수신된 신호에 기초하여 결정된다.

단계 1270에서, 상기 최종 여자 신호, 최종 참조 신호 및 온도에 기초하여 유체 내 산소 농도의 측정치를 결정할 수 있다. 구체적으로, 유체 내 용존 산소가 형광체의 형광 물질과 상호작용하여 그 물질의 형광량을 소멸 또는 감소시킬 때 상기 최종 여자 신호를 이용하여 형광의 감소에 대응하는 감쇠 시간 또는 감쇠 시상수를 도출할 수 있다. 특히, 최종 여자 신호의 위상이 결정될 수 있고, 센서 전자기기에서의 지연이 측정 사이클의 참조 부분 중에 결정된 최종 참조 신호(예를 들면, 최종 참조 신호의 위상)를 이용하여 결정될 수 있다. 최종 여자 신호의 보정된 위상을 이용하여 여자 부분 중에 형광체의 형광의 감쇠 시간을 정확하게 결정할 수 있다. 그 다음에, 유체 내 산소 농도의 측정치가 사용되는 형광체의 공지된 감쇠 시상수와 상기 결정된 감쇠 시간 간의 관계에 기초하여 결정될 수 있다. 이 측정치는 예를 들면 저장된 교정 데이터(예를 들면, 교정 처리 중에 결정된 것)를 이용하여 결정될 수 있다. 이 농도 측정치는 온도와 산소 농도 간의 공지된 관계에 기초하여 결정된(예를 들면, 단계 1260에서) 온도 값을 이용하여 추가 조정될 수 있다.

추가로, 일부 실시형태에 있어서, 측정 사이클 중에 형광체의 상태를 표시하는 알람 상태를 결정할 수 있다. 여기에서 전자 컴포넌트 내의 교정 데이터는 형광체의 형광의 참조 크기를 포함할 수 있다. 이 참조 크기는 DO 센서(300)의 교정 중에 결정된 특정 값일 수 있다. 이 참조 크기를 여자 부분 중에 발생된 최종 여자 신호와 비교하여 여자 신호의 크기가 상기 교정 중에 결정된 참조 크기의 소정의 역치(예를 들면, 50%, 20% 등) 내에 있는지 결정할 수 있다. 이 역치는 예를 들면 교정 중에 제조자 또는 사용자가 구성할 수 있다. 만일 최종 여자 신호의 크기가 상기 참조 크기의 역치(예를 들면, 참조 크기의 50%) 내에 있지 않으면 형광체의 교체 필요성을 표시하는 알람 플래그가 설정되거나 또는 알람 신호가 송출될 수 있다. 일부 경우에, 알람 상태는 매 측정 사이클마다 결정되지 않을 수 있고, 측정 사이클에서 전혀 결정되지 않을 수도 있으며, 또는 공정 제어부 등에 의해 특정된 때에만 결정될 수도 있다는 점에 주목한다.

그 다음에, 단계 1290에서, 적어도 산소 농도 측정치를 표시하는 신호가 DO 센서에 의해 제공될 수 있다. 이 신호는 DO 센서를 사용하는 공정을 제어하기 위해 또는 각종의 다른 기능을 위해 이용할 수 있다. 추가로, 단계 1290에서, 측정 온도 또는 알람 상태를 표시하는 신호가 DO 센서에 의해 또한 제공될 수 있다.

간략히 설명한 바와 같이, 알람 상태는 측정 사이클과 함께 결정되지 않을 수 있다. 따라서, 일부 실시형태에 있어서, 형광체 테스트 사이클이 측정 사이클과는 별도로 수행될 수 있다. 특히 형광체의 참조 크기가 대기 중의 교정 처리에서 결정된 경우에는 대기 중에서 별도의 형광체 테스트 사이클을 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 그러한 형광체 테스트 사이클이 수행되기 전에 DO 센서는 대기에 꺼내지거나 대기에 개방될 수 있고, 또는 대기가 처리 중에 유체 유동 경로에 도입된 때 등과 같은 처리의 일부 중에 수행될 수 있다. 따라서, 소정의 실시형태에 있어서, 그러한 형광체 테스트 사이클은 대기가 존재할 때 수행되는 전술한 측정 사이클과 실질적으로 동일할 수 있다.

형광체 교체를 위한 알람 상태를 결정하기 위해 테스트 사이클을 수행하는 방법의 일 실시형태가 도 13에 도시되어 있다. 이 경우에 테스트 사이클을 수행하기 위해 최초로 단계 1310에서 여자 신호가 여자 LED를 동작시킴으로써 발생된다. 이 여자 신호는 여기에서 이러한 여자 신호의 다른 설명과 실질적으로 유사하게 발생될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 단계 1320에서, 형광체의 상태를 표시하는 알람 상태가 결정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 교정 데이터는 참조 크기를 포함할 수 있고 또는 참조 크기는 임의의 다른 방법으로 특정되었을 수 있다. 이 참조 크기를 여자 신호의 크기와 비교하여 여자 신호의 크기가 상기 교정 중에 결정된 참조 크기의 소정의 역치 내에 있는지 결정할 수 있다. 만일 여자 신호의 크기가 상기 참조 크기의 역치(예를 들면, 참조 크기의 50%) 내에 있지 않으면, 단계 1330에서, 형광체의 교체 필요성을 표시하는 알람 플래그가 설정되거나 또는 알람 신호가 송출될 수 있다.

여기에서 설명하는 실시형태는 소프트웨어에서 또는 하드웨어에서 또는 이들의 조합에서 제어 로직의 형태로 구현될 수 있다. 제어 로직은 정보 처리 장치에게 각종 실시형태로 설명한 단계들의 집합을 수행하게끔 지시하도록 적응된 복수의 명령어로서 컴퓨터 판독가능 매체 등의 정보 기억 매체에 저장될 수 있다. 여기에서 제공한 설명 및 기술에 기초해서, 당업자라면 본 발명을 구현하는 다른 방식 및/또는 방법을 예상할 수 있을 것이다.

여기에서 사용하는 용어 "포함한다", "포함하는", "구비한다", "구비하는", "갖는다", "갖는", 또는 이들의 임의의 다른 변체는 비배타적인 내포를 함의하는 것으로 의도된다. 예를 들면, 요소들의 리스트를 포함한 공정, 제품, 물품 또는 장치는 단지 그 요소들만으로 불필요하게 제한되지 않고 명시적으로 리스트되지 않은 또는 그러한 공정, 제품, 물품 또는 장치에 고유적인 다른 요소들을 포함할 수 있다.

"컴퓨터 판독가능 매체"는 명령어 실행 시스템, 장치, 시스템 또는 디바이스에 의해 사용하는 또는 이러한 디바이스와 함께 사용하는 프로그램을 내포, 저장, 통신, 전파 또는 운송할 수 있는 임의의 매체일 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는, 비제한적인 예를 들자면, 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선 또는 반도체 시스템, 장치, 시스템, 디바이스, 전파 매체 또는 컴퓨터 메모리일 수 있다. 이러한 컴퓨터 판독가능 매체는 일반적으로 기계 판독 가능한 것이고, 인간 판독형(예를 들면, 소스 코드) 또는 기계 판독형(예를 들면, 목적 코드)일 수 있는 소프트웨어 프로그래밍 또는 코드를 포함할 수 있다.

"프로세서"는 데이터, 신호 또는 기타 정보를 처리하는 임의의 하드웨어 시스템, 메카니즘 또는 컴포넌트를 포함한다. 프로세서는 범용 중앙 처리 장치, 복수의 처리 장치, 기능을 달성하기 위한 전용 회로 또는 기타 시스템을 가진 시스템을 포함할 수 있다. 처리는 지리적 위치로 제한될 필요가 없고 시간적 제한을 가질 필요도 없다. 예를 들면, 프로세서는 그 기능을 "실시간", "오프라인", "일괄 모드" 등으로 수행할 수 있다. 처리의 부분들은 다른(또는 동일한) 처리 시스템에 의해 다른 시간에 및 다른 위치에서 수행될 수 있다.

도면에 도시된 요소들 중의 하나 이상은 특수 응용에 따라 유용하다면 분리 방식으로 또는 통합 방식으로 또한 구현될 수 있고, 또는 일부 경우에는 제거되거나 동작불능으로서 연출될 수도 있다. 게다가 도면 내의 임의의 신호 화살표는 다른 방식으로 구체적으로 적시되지 않는 한 제한하는 의도 없이 단지 설명하는 것으로서 간주되어야 한다. 예를 들어, 여기에 도시된 바와 같은 DO 센서의 실시형태는 유동 경로로부터 유체의 유입 및 유출을 위해 배열된 포트를 갖는 유동 경로를 포함하는 하부 부분에 상부 부분이 결합된 것으로 도시되었다. 그러나, DO 센서의 다른 실시형태가 이용될 수 있고 통합형 유체 유동 경로를 포함하지 않는 다른 방식으로 구성될 수 있으며, 예를 들어 툴 등의 유체 유동 경로로 직접 통합되거나, 컨테이너, 오버팩, 라이너 등으로 통합될 수 있다.

또한, 여기에서 사용하는 용어 "또는"은 다른 방식으로 표시되지 않는 한 일반적으로 "및/또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 여기에서 사용하는 바와 같이, "a" 또는 "an"(및 "a" 또는 "an"이 앞에 붙은 용어가 선행되어 있는 경우에는 "the")이 앞에 붙은 용어는 그 용어의 단수형 및 복수형 둘 다를 포함한다(즉, "a" 또는 "an"의 인용은 단수형만 또는 복수형만 명확히 표시할 수 있다). 또한, 이 명세서에서 사용하고 있는 바와 같이 "in"의 의미는 문맥에서 명확하게 다른 방식으로 구술하지 않는 한 "in" 및 "on"의 의미를 포함한다.

지금까지 발명의 잇점, 기타 장점 및 문제점에 대한 해법을 특정 실시형태와 관련하여 설명하였다. 그러나 이러한 잇점, 장점, 문제점에 대한 해법, 및 임의의 잇점, 장점 또는 해법이 더 뚜렷하게 나타나게 하는 임의의 컴포넌트는 임계적인, 필수적인 또는 본질적인 특징 또는 컴포넌트로서 해석되지 않아야 한다.

Claims (21)

1. 용존 산소 센서(dissolved oxygen sensor)로서,
   광학적 투명 물질의 창 - 유체에 노출될 수 있는 상기 창의 제1측에 형광체(luminophor)가 부착됨 - 과;
   상기 창의 제1측의 유체 유동 경로 및 형광체와는 반대측에 제공되는 광학 프로브를 포함하고,
   상기 광학 프로브는,
   상기 형광체를 조명하도록 구성된 여자(excitation) 광원과;
   조명에 응답하여 상기 형광체에 의해 방출된 광을 수신하도록 구성된 포토다이오드와;
   상기 형광체와 연관된 기준 크기가 저장되어 있는 전자 컴포넌트를 포함하며, 상기 전자 컴포넌트는,
   상기 형광체로부터 방출된 광의 크기를 결정하고;
   상기 형광체로부터 방출된 광의 크기가 상기 기준 크기의 임계치 내인지 여부를 결정하고;
   상기 형광체로부터 방출된 광의 크기가 상기 기준 크기의 임계치 내인지 여부의 결정에 기초하여 상기 형광체와 연관된 알람 상태를 설정하도록 구성되는 것인, 용존 산소 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 임계치는 50%인, 용존 산소 센서.
3. 제1항에 있어서, 상기 기준 크기는 상기 용존 산소 센서의 교정(calibration) 동안 결정되는 것인, 용존 산소 센서.
4. 제3항에 있어서, 상기 교정은 대기 중에서 일어나는 것인, 용존 산소 센서.
5. 제1항에 있어서, 상기 전자 컴포넌트는 상기 형광체에 의해 방출된 광에 기초하여 산소 농도의 측정치를 결정하도록 구성되는 것인, 용존 산소 센서.
6. 제5항에 있어서, 상기 형광체에 의해 방출된 광의 크기 및 상기 산소 농도의 측정치의 결정은, 상기 형광체에 의해 방출된 광으로부터 결정된 동일 신호에 기초하는 것인, 용존 산소 센서.
7. 제1항에 있어서, 상기 용존 산소 센서는, 상기 프로브를 통해 유도되고 상기 창에 근접한 제1 단부를 구비한 수광 가이드를 포함하며, 상기 수광 가이드는, 상기 여자 광원에 의한 상기 형광체의 조명에 응답하여 상기 제1 단부에서 수신된 상기 형광체에 의해 방출된 광을 수신하고, 상기 창에서 먼 상기 수광 가이드의 제2 단부에 인접한 포토다이오드에 광을 안내하도록 구성되며, 상기 포토다이오드 및 상기 수광 가이드는 축 상에서 정렬되고, 인쇄 회로 기판(PCB; printed circuit board)이 상기 전자 컴포넌트를 포함하며, 상기 PCB는 상기 포토다이오드 및 상기 수광 가이드와 축 상에서 정렬되고, 상기 포토다이오드는 상기 PCB에 결합되는 것인, 용존 산소 센서.
8. 제1항에 있어서, 상기 창은 유체와 접촉하는 것인, 용존 산소 센서.
9. 제1항에 있어서, 상기 창 또는 상기 형광체는 교체가능한 것인, 용존 산소 센서.
10. 용존 산소 센서를 동작시키는 방법으로서,
    여자 광원을 사용하여 형광체를 조명하는 단계;
    조명에 응답하여 상기 형광체에 의해 방출된 광을 수신하는 단계;
    상기 형광체로부터 방출된 광의 크기를 결정하는 단계;
    상기 형광체로부터 방출된 광의 크기가 상기 형광체와 연관된 기준 크기의 임계치 내인지 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 형광체로부터 방출된 광의 크기가 상기 기준 크기의 임계치 내인지 여부의 결정에 기초하여 상기 형광체와 연관된 알람 상태를 설정하는 단계를 포함하는, 용존 산소 센서의 동작 방법.
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