TWI434036B - 用以測定流體之成分的裝置及方法 - Google Patents

Description

用以測定流體之成分的裝置及方法

本發明概括地關於一用於物質分析之裝置及方法。更特定言之，本發明係有關臭氧流體之臭氧濃度的測定。

臭氧水中之臭氧濃度經常藉由吸收光譜儀進行測定。紫外線(UV)及黃-紅光帶由於與臭氧之吸收特性相配而為適用的。該UV Hartley帶之峰值吸收係約2000倍大於該黃-紅Chappius帶者，所以使用UV源將可較使用黃-紅源提供更大之測定靈敏度。然而，UV源可能很昂貴且可能產生一不穩定之光強度。因此，在不需要最大靈敏度的時候使用可見光係為較佳的。

臭氧水具有許多工業用途。在半導體製造工業中，舉例而言，精確控制由一臭氧水產生器所製造之臭氧水的臭氧濃度將是在裝置組建期間最為重要的。普遍用以測定該類產生器所製臭氧水之臭氧濃度的方法經常是緩慢、易錯及/或不便的。例如，臭氧濃度係藉由從該產生器收集一臭氧水之樣本並以一運用吸收光譜儀之分析裝置化驗該樣本之程序而被予測定。因此，存在著可能因為樣本處理而導致在測定上之錯誤與延遲。進一步的錯誤可能由於光在其通過該水時之不規則散射而導致。例如，經由氣泡所致之該散射會造成光強度之損失，而此光強度損失可能難以與經由臭氧吸收所造成之強度損失作區分。

本發明係有關於一種裝置及方法，其可改善針對一流體成分特性所作吸收光譜分析之測定正確性、簡易度及成本。根據本發明之原理，測定正確性可藉由對除了成分吸收效應以外之效應所導致之強度損失的校正而予以改善。本發明部分地衍生自為了實現藉由觀察一第二放射線而可確定異常吸收之目的，而該第二放射線係在一共同路徑上行進且被吸收程度較小於該第一放射線。該第二放射線強度之測定於是可被用以評估該第一放射線由於諸如該流體中的氣泡所導致放射線散射之異常效應而造成多少損失。

本發明亦部分地衍生自為了實現可藉由修正一臭氧水產生器之輸出管線以便可進行滿流即時（或幾近即時）原地之臭氧濃度測定。如前所述，兩光帶（亦即放射線）可藉由利用反射而依需要地被導引經過該管路的一部分，以便增加路徑之長度且藉此增加測定敏感度。該等光帶相對於臭氧具有不同之吸收特質；由於臭氧而具有較少或無吸收之該光帶提供一參考信號。藉由沿著大致相同之路徑而引導該等兩光帶，該參考信號可被用以對除了經由臭氧吸收以外之諸效應所導致之第一光帶的強度損失進行校正。

該兩光帶例如可藉由一黃光發光二極體(LED)及一藍光LED而被提供。一或多個LED可提供一穩定且低成本之光源。因此，臭氧濃度可藉由對一產生器之滿流臭氧水輸出作即時之直接檢測而被測定出，其將可達比一些習知方法更佳之正確性及更低之成本。

因此，在一第一態樣中，本發明之特徵在於一用於測定一流體成分（例如，臭氧水中之臭氧）的裝置。該裝置可包括一用以容納該流體之容器、一被配置成可沿著一實質上共同之路徑引導一第一光帶及一第二光帶通過該流體之光源、及一光偵測器。

該第一光帶及該第二光帶被選擇成可使得經由該第一光帶之成分的吸收較大於經由該第二光帶之成分的吸收。該第二光帶提供一參考信號以便可校正源自該第一光帶之測定。

該光偵測器感測該第一光帶及該第二光帶。該光偵測器包括一或多個組件，例如一或多個光電二極體。該光偵測器支援進行該等光帶之強度測定。該第一光帶之經測定強度可提供一對該成分之特性（諸如該成分之濃度）之確定。該第二光帶之經測定強度則可提供一參考信號以支援對該特性測定之錯誤進行校正。

例如，該流體可為水且該成分可為臭氧。該容器可為例如一臭氧水輸送管線之一部分。因此，該裝置可在臭氧水從一臭氧水產生器流出時提供臭氧水中臭氧濃度之原地測定。一臭氧水產生器可包含該容器作為該產生器之臭氧水輸送管路之一部分。因此，該裝置可支援進行對由該產生器所製造之臭氧水的即時測定，而無需從該產生器收集一臭氧水樣本。

該光偵測器之組件具有一與該第一光帶相重疊之吸收帶。例如，為了臭氧水之測定，該第一光帶可與一黃－紅光頻率及一第一寬度相結合，而該第二光帶可與一藍光頻率及一第二寬度相結合。該藍光相對地不被臭氧所吸收。該光源可包括一或多個LED，例如一GaAsP－on－Gap LED。

該實質上共同之路徑可藉由至少一反射點而被部分地界定以增加一通過該容器內流體之路徑的長度，藉而可增加對該流體內之該成分的測定敏感度。一具有一緊密小、巧之容器因此可提供一相當長之路徑長度。

成分吸收以外之諸因素將可能導致通過該流體之第一及第二光帶的強度損失（該等因素包括例如流體中之氣泡）。因此，該第二光帶之一經觀察到之強度損失提供一由該等因素所致之第一光帶的強度損失之指示。較佳地，該第一及第二光帶之路徑實質上係共同的，以致使得兩光帶實質上通過相同之流體。因此，該第二光帶可通過如該第一光帶所通過之實質上相同的流體，及/或可選取如該第一光帶所選取之具有實質上相同機械因素之樣本。

該容器可包括透明、半透明及/或不透明之材料。該裝置亦可包括一鄰近該容器之被覆層。該容器本身可提供一反射點。或者，該被覆層可反射該光。該反射點可產生一鏡面或一擴散反射，此將視該容器及/或該被覆層材料的選擇而定。

該裝置可另包含一第二光偵測器。該第二光偵測器可支援進行例如對包括兩個LED之一光源的差別老化效應之偵測。該裝置亦可包含一溫度偵測器及/或一壓力偵測器。溫度及壓力測定可進一步支援進行對由該第一光帶之強度損失而被測定之特性的校正。

在一第二態樣中，本發明之特徵在於一用於根據本發明之原理測定一流體之成分的方法。該方法包含選擇一第一光帶，而該成分對該第一光帶之吸收較大於對一第二光帶之吸收；偵測沿著該實質上共同的路徑而通過該流體之該第一光帶及該第二光帶；及回應經偵測之第二光帶而修正由經偵測之第一光帶所確定之成分的一經測定特性，以便改良該經測定特性之正確性。

該臭氧之經測定的特性可為任何關注之特性，例如該臭氧之濃度。可針對由該經偵測之第一光帶的一強度損失所導致之錯誤而校正該經測定之特性，該強度損失係與除了經由成分吸收以外（亦即，除經由臭氧吸收以外）的一或多個因素相關聯。該等強度損失原本可能被誤解為係經由臭氧吸收所致，並可能因而導致一在已測定濃度上之錯誤增加。

可導致強度減小之諸因素包括例如氣泡、在該實質上共同之路徑的一反射點之反射率、該流體中之雜質、及一包含該流體之容器的機械尺寸。例如，一在該容器之反射率及/或尺寸上之改變可導致一在該第一光帶之經測定強度上之減少（或增加）。該在強度上之減少（或增加）係與經由臭氧之吸收無關，但可能被錯誤地解釋為一在經由臭氧之吸收上的增加（或減少）。

定義－「臭氧水產生器」係一藉由利用例如一接觸器將臭氧氣體導入水中而產生臭氧水之裝置。

術語「光」係指電磁放射線，包括紅外線、可見光、紫外線、及x光射線。術語「光」及「放射線」在本文中係可交換使用的。

「光帶」係有關於一峰值頻率及一帶寬，例如一半峰值帶寬。

「容器」係可容納一流體之一貯存器或一貯存器之一部分。容器可為例如一管路或一管路之部分。

圖1係用於根據本發明原理測定一流體成分之裝置100的一實施例之剖面圖。該裝置包含一用以容納該流體之容器110、一被配置成可引導一第一光帶及一第二光帶沿著一實質上共同的路徑通過該流體之光源120、及一用以偵測沿著該實質上共同的路徑通過之該第一光帶及該第二光帶的光偵測器130。來自光源120之該等第一及第二光帶可被相繼或同時地傳送。例如，可藉由光偵測器130傳送或偵測該第一光帶，且接著可藉由光偵測器130傳送或偵測該第二光帶。在其他實施例中，可透過光源120同時地傳送該等第一及第二光帶。然後，透過該光偵測器130可同時地進行對這些光帶之偵測。該等實施例亦包括在經光源120同時傳送該兩光帶時以光偵測器130對該等光帶所進行之相繼偵測。

該等第一及第二光帶被選擇成可使該欲測定之成分具有該第一光帶之吸收，其較大於該第二光帶之吸收。該第二光帶提供一參考信號以校正源自該第一光帶之測定。

例如，該流體可為水且該成分可為臭氧。該容器110於是可為例如臭氧水之輸送管路的一部分，以便允許在原地測定該臭氧。因此，一臭氧水產生器可藉由將容器110用作臭氧水產生器之輸送管路的一部分而被修改。該裝置100可提供對由該產生器所製造之臭氧水進行即時或接近即時之測行，而無需從該產生器收集一臭氧水之樣本。

該欲測定之成分具有一與該第一光帶重疊之吸收帶。例如，為了臭氧水之測定，該第一光帶可與一黃-紅光頻率及一第一寬度相結合，而該第二光帶可與一藍光頻率及一第二寬度相結合。該黃-紅光頻率可為例如大約584nm。該光源120於是可包括一黃-紅光LED 120a以提供該第一光帶，及一藍光LED 120b以提供該第二光帶。

該黃-紅光LED 120a例如可為GaAsP-on-Gap二極體。該二極體之黃-紅光峰值波長輸出係接近可見光之臭氧最大吸收。此外，該相結合之臭氧吸收帶係較寬該二極體之黃-紅光輸出之寬度。

該實質上共同之路徑可藉由至少一反射點A而被部分地界定，以便增加該路徑通過該容器內之流體的長度。該裝置100之測定靈敏度可藉由增加該通過流體之路徑長度而被增加。

該等第一及第二光帶之路徑較佳地係實質上共同的，以致使該兩光帶可通過實質上相同的流體。如下文中將進一步說明的，一在第二光帶強度上所觀測到之改變於是可提供一對於非成分相關(non-constituent-related)因素之效應的良好指示，而該等因素已影響了該經觀測之第一光帶的強度。

該容器110可包括透明、半透明及/或不透明之材料。適合之材料包括例如石英、樹脂及/或含氟聚合物，諸如聚四氟乙烯(PTFE)與有側鏈的聚四氟乙烯(PFA)。該裝置100亦可包括一鄰近該容器之被覆層150。該容器110本身可為該等光帶提供一反射點。或者，該被覆層150可反射該光。

該反射點A可產生一鏡面或一擴散反射，此將視該容器及/或該被覆層150之材料選用而定。例如，一白色聚合物容器110或一具有一白紙被覆層150之清澈石英容器110可提供一擴散反射。使用可產生一擴散反射之反射點將可藉由降低或消除在一鏡面型式中必須對準諸反射點A之要求而簡化了該裝置100之設計與製造。該容器110因此可包括一界定該容器之一內表面的材料，而該內表面可擴散地散射在該反射點A處之該等第一及第二光帶。或者，可允許該光穿過一透明之容器並從一被覆層150反射。

該光偵測器130偵測沿著該實質上共同的路徑通過之該第一光帶及該第二光帶。該光偵測器130可包括例如一或多個矽光電二極體、光電晶體、光電倍增管、或其他本藝中所習知之裝置。如下文將說明的，該光偵測器130支援對該等光帶之強度測定。一光偵測器（例如，130）可支援一個以上之組件。例如，一光偵測器可包含兩組件，而每一組件可為一光電二極體。一包括兩個光電二極體之光偵測器可同時測定兩不同光帶之強度。該第一光帶之經測定的強度可提供對一流體中之成分特性（諸如濃度）之確定。該第二光帶之經測定的強度可提供一參考信號以支援對該特性測定之錯誤進行校正。

該裝置100可另包含一第二光偵測器140。該第二光偵測器140可被定位成在該第一光帶及該第二光帶沿著至多一部分該實質上共同之路徑通過之後可偵測該第一光帶及該第二光帶。該第二光偵測器140可被用以支援對例如該等LEDs 120a、120b之差別老化的偵測。因此，例如由於老化所導致一自該黃一紅光LED 120a處之光輸出的損失將可被確定，且該損失可藉由增加被供應至該LED 120a之電流以增加其輸出而被予校正。

在一些實施例中，來自光源120之該等第一及第二光帶可相繼地或同時地被傳送。如果他們是被同時地被傳送，則經由該第二光偵測器140對這些光帶之任一者的偵測可同時地或相繼地進行。例如，一光帶可藉由光偵測器130予以偵測，而另一光帶則可同時藉由光偵測器140予以偵測。

再者，雖然此處僅敘述使用兩個光帶，但亦可使用兩個以上之光帶。如果兩個以上之光帶係經由光源120而被予傳送，則光偵測器130、140中之至少一者可被用以同時偵測兩個（或更多）受關注之光帶。相繼之偵測亦可同時地（例如以兩個光偵測器）或相繼地（使用一或二個光偵測器）被執行。

基於此一說明，其他適合之組合對熟習本藝之人士亦將變得顯而可知。例如，亦可使用其他之光源形態。一具有一可調整光波長輸出之單一光源可被使用，而其係可被連續地或間斷地調整。該等不同波長之光吸收接著可以前述之光偵測器予以偵測。另一實施例包含多個光源及多個偵測器，其中每一偵測器具有一波譜敏感度，其對應於該等光源中之特定一者。因此，一第一光源（例如，一第一光電二極體）傳送一第一光帶並與一第一偵測器配成對，一第二光源（例如，一第二光電二極體）傳送一第二光帶並與一第二偵測器配成對等等。較佳來說，來自該等不同光源之該等光帶的光路徑實質上是相同的。兩個以上之光源/偵測器對亦可被使用，此視該測定應用之要求而定。在該諸實施例中之該等偵測器可為例如前述該等光偵測器130類型中之任一者。

該裝置100亦可包含至少一溫度偵測器161及/或至少一壓力偵測器162。由這些偵測器161、162所提供之該等溫度及壓力測定可進一步支援對已由該第一光帶之強度損失所確定之經測定特性的校正。在一些應用中，該等已達成之結果可受溫度及壓力所影響。當必要時，可基於從溫度偵測器161及/或壓力偵測器162處所獲之資訊而提供補償，此將導致更精確之特性測定結果。

圖2係一用於根據本發明之原理測定一流體成分之方法200的流程圖。該方法200可藉例如圖1所示之該裝置100而被執行。該方法200包含：選擇一第一光帶，而該成分具有該第一光帶之吸收，其較大於一第二光帶之吸收（步驟210）、偵測沿著該實質上共同的路徑而通過該流體之該第一光帶及該第二光帶（步驟220）、及回應經偵測之第二光帶而修正由經偵測之第一光帶所確定之成分的一經測定特性，以便改良該經測定特性之正確性（步驟230）。

該流體可為由例如一臭氧水產生器所製之臭氧水。該成分於是可為臭氧。此說明之其餘部分將水及臭氧視作為一流體及一流體之成分。然而，將了解的是本發明之原理可被應用於其他流體及諸流體之其他成分。

該臭氧之經測定的特性可為任何關注之特性，例如該臭氧之濃度。該修正步驟（步驟230）於是可包括針對由該經偵測之第一光帶的一強度損失所導致之錯誤而校正該經測定之濃度，該強度損失係與除了經由成分吸收以外的一或多個因素相關聯。該等強度損失可能被不同樣地誤解為係經由臭氧吸收所致，並可能因此而導致一在已測定濃度上之錯誤增加。

可導致在強度上之減小的諸因素包括例如氣泡、在該實質上共同之路徑的一反射點之反射率上之減小、該流體中之雜質、及在一包含該流體之容器的機械尺寸上之改變。由該等因素所導致在強度上之減小係與經由臭氧之吸收無關，但可能被錯誤地解釋為一在由臭氧濃度增加所致之臭氧吸收上的增加。該方法200可包含：使該臭氧水可從一臭氧水產生器流經一容器而至一處理工具處，以便可在原地進行該臭氧濃度之測定（步驟240）。

該方法200亦可包括沿著該實質上共同之路徑交替地引導該第一光帶及第二光帶（步驟250）。在此情況中，該第一光帶及該第二光帶於是可被交替地偵測。該等第一及第二光帶可進一步地與一空白時段交替，在此期間大體上並無光被導引沿著該實質上共同之路徑通過。例如，在該空白時段期間，該背景強度可被觀察出。該背景強度可能係衍生自例如光偵測器噪音及/或來自一特意地沿著該共同路徑被導引通過該流體之光以外之光源處的光。

該背景強度可增加該第一光帶之虛表偵測強度，此導致一在濃度測定上之錯誤。該背景測定於是可允許一進一步之校正以進一步地改良臭氧濃度測定之精確性。亦即，例如該經測定之臭氧濃度可因應可能錯誤地減低該虛表臭氧濃度之背景強度而被予校正。

該方法200可包含：沿著至多一部分該實質上共同之路徑偵測該第一光帶及該第二光帶中之至少一者，及回應第二光帶而因應地維持第一光帶之一已發射強度。因此，例如，如前述者，LED光源之差別老化效應可被偵測到。如同熟習LED技藝之人士所知的，一LED之光強度輸出在一給定之輸入電壓下可隨著老化而減小。再者，不同類型之LED可能展現出不同的老化速率。

雖然本發明已配合參照特定之較佳實施例而被顯示並說明如前文，但熟習本藝之人士應了解各種在形狀或細節上之改變均可在其中進行，而不脫離如下附請求項所界定之本發明之精神及範圍。

100．．．測定裝置

110．．．容器

120．．．光源

120a．．．黃－紅光LED

120b．．．藍光LED

130．．．光偵測器

140．．．第二光偵測器

150．．．被覆層

161．．．溫度偵測器

162．．．壓力偵測器

200．．．測定方法

210．．．選擇步驟

220．．．偵測步驟

230．．．修正步驟

240．．．測定步驟

250．．．引導步驟

本發明藉所附請求項中之特質而被予說明。本發明之上述及另外的優點可藉由參考上列詳細說明及配合參照所附圖式而獲更佳之了解，在該等附圖中：圖1係用於根據本發明原理測定一流體成分之裝置的實施例之方塊圖；及圖2係用於根據本發明原理測定一流體成分之裝置的實施例之流程圖。

100．．．測定裝置

110．．．容器

120．．．光源

120a．．．黃－紅光LED

120b．．．藍光LED

130．．．光偵測器

140．．．第二光偵測器

150．．．被覆層

161．．．溫度偵測器

Claims (23)

1. 一種用於測定一臭氧液體中之臭氧的一特性的裝置，該裝置包括：一容器，其用以容納該臭氧液體，其中該容器包括經定位之一輸送管路以便可在原地進行該臭氧液體中之臭氧的該特性之測定；一光源，其被配置成可引導一黃-紅光帶及一藍光帶通過該容器中之該臭氧液體，其中該臭氧液體中之該臭氧具有與該黃-紅光帶相關聯之吸收，其較大於與該藍光帶相關聯之吸收；及一光偵測器，其偵測通過該臭氧液體之用於測定該臭氧液體中之臭氧之該特性之該黃-紅光帶及該藍光帶。
2. 如請求項1之裝置，其中該黃-紅光帶係與一第一寬度相關聯，而該藍光帶係與一第二寬度相關聯。
3. 如請求項2之裝置，其中該光源包括一用於提供該黃-紅光帶的黃-紅光發光二極體，及一用於提供該藍光帶的藍光發光二極體。
4. 如請求項3之裝置，其另包括一第二光偵測器，而該第二光偵測器在該黃-紅光帶及該藍光帶沿著一實質上共同之路徑通過之後偵測該黃-紅光帶及該藍光帶，以測出該等發光二極體之差別老化。
5. 如請求項4之裝置，其中該實質上共同之路徑是藉由至少一反射點而被部分地界定以增加通過該容器內之該臭氧液體的該路徑之一長度，藉而增加對該臭氧液體中之臭 氧的該特性的測定敏感度。
6. 如請求項5之裝置，其中該容器包括一界定該容器之一內表面的材料，該內表面在該至少一反射點處擴散地散射該黃-紅及藍光帶。
7. 如請求項5之裝置，其另包括一被覆層於該容器之一外表面上，以便在該至少一反射點處提供該黃-紅及藍光帶之擴散散射。
8. 如請求項1之裝置，其中臭氧的該特性具有一重疊該黃-紅光帶之吸收帶。
9. 如請求項1之裝置，其中該光源包括一發光二極體。
10. 如請求項1之裝置，其中該容器包括一選自由石英及一聚合物所組成之群中的材料。
11. 如請求項1之裝置，其中該光偵測器在該黃-紅光帶及該藍光帶沿著一實質上共同之路徑而通過之後偵測該黃-紅光帶及該藍光帶。
12. 如請求項1之裝置，其另包括用於測量在該容器內之該臭氧液體的溫度之一溫度偵測器及用於測量在該容器內之該臭氧液體的壓力之一壓力偵測器中之至少一者。
13. 一種臭氧水產生器，其包括：一接觸器，其用於混合水及臭氧氣體以製造臭氧水；一管路，其與該接觸器呈流體聯通，以將該臭氧水輸送至一處理工具處；一光源，其被配置成可沿著一實質上共同之路徑引導一黃-紅光帶及一藍光帶通過該管路中之該臭氧水，其 中該臭氧水中之臭氧的一特性具有與該黃-紅光帶相關聯之吸收，其較大於與該藍光帶相關聯之吸收；及一光偵測器，其在該黃-紅光帶及該藍光帶沿著該實質上共同之路徑而通過之後偵測該黃-紅光帶及該藍光帶。
14. 一種用於測定一臭氧流體中之臭氧之一濃度的方法，該方法包括：選擇一黃-紅光帶，而該臭氧流體中之該臭氧具有對該黃-紅光帶之吸收較大於對一藍光帶之吸收；在該黃-紅光帶及該藍光帶沿著一實質上共同之路徑而通過該臭氧流體之後偵測該黃-紅光帶及該藍光帶；及回應該經偵測之藍光帶而修正由該經偵測之黃-紅光帶所確定之該臭氧流體中之該臭氧的一經測定特性，以便改良該經測定特性之正確性。
15. 如請求項14之方法，其中該修正步驟包括針對該經偵測之黃-紅光帶與除了經由該臭氧流體中之該臭氧吸收以外的至少一因素相關聯之一強度損失而校正該經測定之特性。
16. 如請求項15之方法，其中該至少一因素包括氣泡、該實質上共同之路徑的一反射點之反射率、一在該臭氧流體中之雜質、及一包含該臭氧流體之容器的機械尺寸的至少一者。
17. 如請求項14之方法，其另包括提供該實質上共同之路徑 於一容器內。
18. 如請求項17之方法，其中該實質上共同之路徑藉由至少一反射點而被部分地界定以增加該實質上共同之路徑在該容器內之一長度。
19. 如請求項17之方法，其另包括使該臭氧流體從一臭氧水產生器流經該容器而至一處理工具處，以便可在原地進行該臭氧濃度之測定。
20. 如請求項14之方法，其另包括沿著該實質上共同之路徑交替地引導該黃-紅光帶及藍光帶，其中偵測步驟包括交替地偵測該黃-紅光帶及該藍光帶。
21. 如請求項20之方法，其中交替地引導步驟進一步地包括沿著該實質上共同之路徑交替地不引導光。
22. 如請求項19之方法，其另包括沿著至多一部分該實質上共同之路徑偵測該黃-紅光帶及該藍光帶中之至少一者，及因應地維持該黃-紅光帶及該藍光帶中之至少一者的一已發射強度。
23. 一種用於製造具有一所要臭氧濃度之臭氧水的方法，該方法包括：選擇一黃-紅光帶，而臭氧對該黃-紅光帶之吸收較大於對一藍光帶之吸收；在一臭氧水產生裝置中產生臭氧水；在該臭氧水自該裝置流出後且在該黃-紅光帶及該藍光帶沿著一實質上共同之路徑而通過該臭氧水後偵測該黃-紅光帶及該藍光帶； 回應該經偵測之藍光帶而修正由該經偵測之黃-紅光帶所確定之一經測定的臭氧濃度，以便改良該經測定臭氧濃度之正確性；及調整該裝置之至少一參數直到該經測定之臭氧濃度實質上與該所要臭氧濃度相配為止。