TWI583439B - 溶液混合裝置與混合方法 - Google Patents

Description

溶液混合裝置與混合方法

本申請是有關於關於一種溶液混合裝置與混合方法。

隨著積體電路朝高密度、高效能發展，製程線寬的縮小除了需藉由更短波長之光源來達成，此時晶圓表面之平整度、濕式製程的潔淨度都與製程良率有重大相關的議題。故常用化學機械研磨技術來達成平整化技術中，所使用之研磨劑是影響研磨品質之關鍵，因此掌握研磨劑內之研磨粒子粒徑分佈，是品質控管之重點。此外，各濕式製程中使用之溶液，如雙氧水、光阻清潔液、氨水、顯影液等，其中所含的微小粒子、雜質也重大的影響產品良率，亦是半導體廠的監控重點。為了進行24小時線上監測溶液的粒徑分布以控管品質，發展適合24小時自動取樣混合裝置。藉由固定的稀釋比例與均勻混合後，監測結果的相對濃度值才能成為品管依據。

一般而言，業界會將研磨劑與稀釋劑混合來調整研磨劑的濃度。然而，研磨劑因機械力攪拌易產生團聚現象或造成微粒 子脫落，因此會避免使用機械力混合設備(例如：攪拌磁石、泵浦循環)來進行直接攪拌溶液。非機械力混合設備的混合效果與其混合設備的長度成正比，當混合設備的長度越長，則混合設備的混合效果越佳。但隨著混合器的長度增加，非機械力混合設備所佔的空間就越大，不利於將非機械力混合設備整合至微型化機台。

目前常用之粒徑檢測技術為粒徑檢測儀與液相粒子計數器，上述兩者可監測液相溶液中之粒徑分佈或粒子數目，可偵測最小極限約40~200奈米(nm)之粒子；以目前半導體製程線寬主力在28奈米以下，上述兩儀器之解析度已不足提供業界在線監測溶液中奈米等級粒子之需求。

本申請之一實施例提出一種溶液混合裝置及混合方法，藉以微型化非機械力混合設備，使得非機械力混合設備得以整合至微型化機台。

本申請之一實施例所揭露的溶液混合裝置包括一第一槽體、一第二槽體、一取樣元件、一流量控制元件及一混合組件。第一槽體包括一第一腔室及一第一進液口。第二槽體包括一第二腔室。取樣元件連通於第一腔室。流量控制元件透過第一進液口與第一腔室相連通。混合組件之一端連通於第一腔室，混合組件之相對一端連通於第二腔室。

本申請之一實施例所揭露的溶液混合方法包括下列步驟。注入定量的一第一溶液至一第一腔室內。注入一第二溶液至一第一腔室，並透過一流量控制元件控制第二溶液的注入量。使第一溶液與第二溶液反復流過第一腔室和第二腔室之間。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10、1210‧‧‧溶液混合裝置

20‧‧‧工作管線

30、1220‧‧‧分析設備

32‧‧‧取樣端

40‧‧‧第一溶液

42‧‧‧第二溶液

44‧‧‧第三溶液

46‧‧‧第四溶液

100‧‧‧第一槽體

110‧‧‧第一腔室

120‧‧‧第一進液口

130‧‧‧第二進液口

140‧‧‧第一進氣口

150‧‧‧第一排氣口

200‧‧‧第二槽體

210‧‧‧第二腔室

220‧‧‧第二進氣口

230‧‧‧第二排氣口

300、1100‧‧‧取樣元件

310‧‧‧汲取口

350‧‧‧流量控制元件

400‧‧‧混合組件

410‧‧‧第二流管

420‧‧‧混合器

430‧‧‧第二開關閥

500‧‧‧第一進氣系統

510‧‧‧第一進氣設備

520‧‧‧第一進氣流管

530‧‧‧第一進氣閥

600‧‧‧第一排氣系統

610‧‧‧第一排氣設備

620‧‧‧第一排氣流管

630‧‧‧第一排氣閥

640‧‧‧第一迴流元件

700‧‧‧第二進氣系統

710‧‧‧第二進氣設備

720‧‧‧第二進氣流管

730‧‧‧第二進氣閥

800‧‧‧第二排氣系統

810‧‧‧第二排氣設備

820‧‧‧第二排氣流管

830‧‧‧第二排氣閥

840‧‧‧第二迴流元件

900、1160‧‧‧清洗設備

910‧‧‧第一流管

920‧‧‧第一開關閥

930‧‧‧洩料開關閥

940‧‧‧控制器

950‧‧‧連接流管

960‧‧‧洩料流管

970‧‧‧洩料開關閥

980‧‧‧第三開關閥

990‧‧‧流體抽取管

1000‧‧‧溶液粒子監測系統

1110‧‧‧注入閥

1111~1119‧‧‧注入口

1120‧‧‧取樣閥

1121~1126‧‧‧閥口

1127‧‧‧微量定量管件

1162、1164‧‧‧流管

1191~1195‧‧‧閥門

1300‧‧‧氣膠化裝置

1310‧‧‧樣品溶液導入口

1320‧‧‧高壓氣體導入口

1330‧‧‧氣膠化微孔

1340‧‧‧加熱元件

1350‧‧‧乾燥元件

1360‧‧‧氣膠粒子導出口

1400‧‧‧粒子尺寸篩選裝置

1402‧‧‧粒子篩選腔體

1410‧‧‧氣膠粒子導入口

1420‧‧‧中和器

1430‧‧‧邊鞘流體導入口

1440‧‧‧電極

1450‧‧‧篩選通道

1460‧‧‧篩選後粒子出口

1470‧‧‧流體排出口

1500‧‧‧粒子計數器

1510‧‧‧氣膠粒子導入口

1520‧‧‧飽和蒸氣腔體

1530‧‧‧冷凝器

1540‧‧‧光源及光偵測器模組

F1、F2‧‧‧流路

圖1為根據本申請一實施例所述之溶液混合裝置連接於工作管線及分析設備的系統示意圖。

圖2為工作管線內之第一溶液自第二進液口注入第一腔室的平面示意圖。

圖3為取樣元件自汲取口擷取第一溶液的平面示意圖。

圖4為洩料開關閥將第一溶液洩出第一腔室的平面示意圖。

圖5為流量控制元件內之第二溶液自第一進液口注入第一腔室的平面示意圖。

圖6為進、排氣系統驅動第三溶液自第一腔室流至第二腔室的平面示意圖。

圖7為進、排氣系統驅動第三溶液自第二腔室回流至第一腔室的平面示意圖。

圖8為分析設備擷取混合後之第四溶液的平面示意圖。

圖9為根據本申請另一實施例所述之溶液混合裝置連接於工作管線及分析設備的系統示意圖。

圖10A與10B更繪示可應用於本申請各實施例的另一種取樣元件的具體結構與操作。

圖11為根據本申請一實施例所述之溶液粒子監測系統的示意圖。

圖12為根據本申請一實施例所述之氣膠化裝置的示意圖。

圖13為根據本申請一實施例所述之粒子尺寸篩選裝置的示意圖。

圖14為根據本申請一實施例所述之粒子計數器的示意圖。

圖1為根據本申請一實施例所述之溶液混合裝置連接於工作管線及分析設備的系統示意圖。

本實施例之溶液混合裝置10包括一第一槽體100、一第二槽體200、一取樣元件300、一流量控制元件350、一混合組件400、一第一進氣系統500、一第一排氣系統600、一第二進氣系統700及一第二排氣系統800。

第一槽體100包括一第一腔室110、一第一進液口120、一第二進液口130、一第一進氣口140及一第一排氣口150。其中，第一進液口120、第二進液口130、第一進氣口140及第一排氣口150可分別與第一腔室110相連通。

本實施例之溶液混合裝置10可更包括一第一流管910與一第一開關閥920。第一流管910之相對兩端分別連接於第二進液口130及一工作管線20。工作管線20內可容置有一第一溶液40(如圖2所示)，第一溶液40例如為應用於半導體製程的化學溶液，如研磨液。第一開關閥920可設於第一流管910，用以控制第一流管910之流通狀態。

第二槽體200包括一第二腔室210、一第二進氣口220及一第二排氣口230。第二進氣口220及第二排氣口230可分別與第二腔室210相連通。第二腔室210可另與分析設備30相連通。詳細來說，分析設備30具有一取樣端32，取樣端32位於第二腔室210內，分析設備30可例如為氣膠粒徑分布分析儀或下文提及之監測系統的氣膠化裝置1300、粒子尺寸篩選裝置1400與粒子計數器1500所取代。

取樣元件300可例如為針筒泵浦(syringe pump)、蠕動式泵浦(peristaltic pump)或樣品定量環與泵浦之組合(sample loop with pump)，且取樣元件300具有一汲取口310。取樣元件300穿設於第一槽體100，令汲取口310位於第一腔室110內。

流量控制元件350透過第一進液口120與第一腔室110相連通。流量控制元件350用以控制一第二溶液42(如圖2所示)注入第一腔室110的總流量。此第二溶液42為稀釋液例如為去離子水。

混合組件400之一端連通於第一腔室110，混合組件400 之相對一端連通於第二腔室210。詳細來說，混合組件400可包括至少二第二流管410及一混合器420。二第二流管410分別連通於混合器420的相對兩端，且二第二流管410分別連通於第一腔室110與第二腔室210。其中，本實施例之混合器420可為靜態混合器。靜態混合器內部可具有固定式扇葉狀結構或任何可產生渦流之結構，受到上述結構的導引可讓流過之流體例如形成渦流以達到溶液混合的效果。

在一實施例中，混合組件400可更包括二第二開關閥430。二第二開關閥430分別設於二第二流管410，分別控制二第二流管410的流通狀態。

第一進氣系統500與第一排氣系統600可分別透過第一進氣口140與第一排氣口150和第一腔室110相連通，而用以控制第一腔室110內之氣壓狀態。詳細來說，第一進氣系統500可更包括一第一進氣設備510、一第一進氣流管520及一第一進氣閥530。第一進氣流管520之相對兩端分別連通於第一進氣口140與第一進氣設備510。第一進氣閥530設於第一進氣流管520，用以控制第一進氣流管520的流通狀態。當第一進氣閥530打開時，第一進氣設備510可注入氣體至第一腔室110，以增加第一腔室110內之氣壓。第一進氣設備510注入之氣體可例如為壓縮氣體、氮氣或惰性氣體。

第一排氣系統600可更包括一第一排氣設備610、一第一排氣流管620及一第一排氣閥630。第一排氣流管620之相對兩端 分別連通於第一排氣口150與第一排氣設備610。第一排氣閥630設於第一排氣流管620，用以控制第一排氣流管620的流通狀態。當第一排氣閥630打開時，第一排氣設備610可將第一腔室110內之氣體排出，以降低第一腔室110內之氣壓。在一實施例中，第一排氣系統600可更包括一第一迴流元件640，連通於第一排氣流管620。

第二進氣系統700與第二排氣系統800分別透過第二進氣口220與第二排氣口230和第二腔室210相連通，而用以控制第二腔室210內之氣壓狀態。

在一實施例中，第二進氣系統700可更包括一第二進氣設備710、一第二進氣流管720及一第二進氣閥730。第二進氣流管720之相對兩端分別連通於第二進氣口220與第二進氣設備710。第二進氣閥730設於第二進氣流管720，用以控制第二進氣流管720的流通狀態。當第二進氣閥730打開時，第二進氣設備710可注入氣體至第二腔室210，以增加第二腔室210內之氣壓。第二進氣設備710注入氣體可例如為壓縮氣體、氮氣或惰性氣體。

第二排氣系統800可更包括一第二排氣設備810、一第二排氣流管820及一第二排氣閥830，第二排氣流管820之相對兩端分別連通於第二排氣口230與第二排氣設備810，第二排氣閥830設於第二排氣流管820，用以控制第二排氣流管820的流通狀態。當第二排氣閥830打開時，第二排氣設備810可將第二腔室210內之氣體排出，以降低第二腔室210內之氣壓。在一實施例中， 第二排氣系統800可更包括一第二迴流元件840，連通於第二排氣流管820。

在其他實施例中，溶液混合裝置10可更包括一洩料開關閥930。洩料開關閥930設在位於第一槽體100與混合器420之間的第二流管410。但並不以此為限，洩料開關閥930也可以直接設第一槽體100或第二槽體200之底部，用以將第一腔室110或第二腔室210內部之流體洩出。

在一實施例中，溶液混合裝置10可更包括至少一清洗設備900。清洗設備900可分別連接於第一槽體100或/與第二槽體200。

在一實施例中，溶液混合裝置10可更包括一控制器940，電性連接於取樣元件300、流量控制元件350、第一進氣系統500、第一排氣系統600、第二進氣系統700、第二排氣系統800及各閥件。控制器940用以控制取樣元件300、流量控制元件350、第一進氣系統500、第一排氣系統600、第二進氣系統700、第二排氣系統800及各閥件運作。應注意的是，為能清楚表示溶液混合裝置10管路連結特徵，控制器940未限定與各被控制元件間的電性連接關係，僅用文字示意。

請參閱圖2至圖8所示。圖2為工作管線內之第一溶液自第二進液口注入第一腔室的平面示意圖。圖3為取樣元件自汲取口擷取第一溶液的平面示意圖。圖4為洩料開關閥將第一溶液洩出第一腔室的平面示意圖。圖5為流量控制元件內之第二溶液 自第一進液口注入第一腔室的平面示意圖。圖6為進、排氣系統驅動第三溶液自第一腔室流至第二腔室的平面示意圖。圖7為進、排氣系統驅動第三溶液自第二腔室回流至第一腔室的平面示意圖。圖8為分析設備擷取混合後之第四溶液的平面示意圖。

本實施例之溶液混合裝置10係由控制器940操控以達自動取樣、稀釋、混合、清潔與分析的目的，但並不以此為限，在其他實施例中，溶液混合裝置10也可以手動操控。因此，有關控制器940操控的部分，將不再贅述。

如圖2所示，第二開關閥430關閉，且第一開關閥920打開，以令工作管線20內之第一溶液40注入第一腔室110(可沿箭頭a指示之方向)。

如圖3所示，第一開關閥920第二開關閥430皆關閉。取樣元件300自汲取口310抽取第一腔室110內之第一溶液40(可沿箭頭b所指示之方向，且抽取量可以依需求設定，例如可介於0.1毫升至10毫升之間的任一容量值)，以完成取樣動作。其中，透過取樣元件300可穩定地控制第一溶液40之抽取量。舉例來說，取樣元件300以針筒為例，針筒的抽取量與針筒之活塞桿的抽拉距離成正比，當每次針筒之活塞桿之抽拉距離固定，則每次針筒之抽取量則會維持固定，進而能夠確保每次分析結果的穩定性。值得注意的是，雖然針筒的抽取量的精準度仍有可能產生誤差，但其誤差量係在可接受範圍內。

如圖4所示，第二開關閥430及洩料開關閥930皆打開， 以令第一腔室110內剩餘之第一溶液40自洩料開關閥930洩出(可沿箭頭c所指示之方向)。

在一實施例中，於洩出剩餘之第一溶液40後，可進一步透過清洗設備900來清洗第一腔室110，以提升分析結果的精確度。

如圖5所示，第二開關閥430及洩料開關閥930皆關閉。取樣元件300將所擷取之第一溶液40重新注入第一腔室110(可沿箭頭d所指示之方向注入第一腔室110)。流量控制元件350將第二溶液42注入第一腔室110(可沿箭頭e所指示之方向注入第一腔室110)，並控制第二溶液42的注入量，以形成一第三溶液44(第一溶液40加第二溶液42)。在本實施例中，第一溶液40之注入量以1毫升為例，且第二溶液42之注入量以500毫升為例，以令第一溶液40(例如：研磨液)與第二溶液42(例如：稀釋液)間的比例達1：500。但並不以此為限，在其他實施例中，第一溶液40與第二溶液42間的比例可介於1：10至1：5000之間。

圖2至圖5所表示的步驟可以實現定量取樣以及依照預定稀釋濃度稀釋樣本。不過，上述取樣的方法僅是舉例說明之用，本申請不以此為限。以定量取樣而言，本申請不須侷限先將第一溶液40注入第一腔室110，利用取樣元件300由第一腔室110內汲取定量樣本，將第一腔室110清洗完成，再將取樣元件300中的第一溶液40回注至第一腔室110。

舉例來說，圖10A與10B更繪示可應用於本申請各實施例的另一種取樣元件的具體結構與操作。也就是說，圖10A與圖 10B所述的取樣元件可以用來取代前述的取樣元件300。本實施例的取樣元件1100可包括注入閥(inlet valve)1110與取樣閥(sampling valve)1120。本實施例的取樣元件應用於圖1的溶液混合裝置10時，取樣閥1120連通至第一槽體100，並且由圖10A與圖10B可知，流量控制元件350、第一排氣系統600以及清洗設備1160都連接至第一槽體100。另外，本實施例的清洗設備1160除了連接到第一槽體100之外，也連接至取樣閥1120。當然，本實施例也可以如圖1一樣設置清洗設備900以連接至第一槽體100。

注入閥1110可連接取樣閥1120，且注入閥1110例如可具有多個樣品注入口1111~1114、多個清洗液(flush)注入口1115~1118、以及潔淨乾燥空氣(clean dryer air,CDA)注入口1119等。可依需求經由前述多個注入口1111~1119注入不同樣品、清洗液或潔淨乾燥空氣至取樣閥1120。在一實施例中，這些樣品注入口1111~1114可分別連接多個管線以實現多種樣品的注入以及監測。

取樣閥1120例如可具有多個閥口1121~1126以及微量定量管件1127。閥口1121~1126之間的連通狀態可被切換。注入閥1110連接於閥口1121。微量定量管件1127連接於閥口1122與1125之間。閥口1123經由閥門1191~1193連通於清洗設備1160。閥口1124連通於第一槽體100。閥口1126經由閥門1194連通至洩料端。

流量控制元件350可與前述實施例相同，用以注入例如去離子水等稀釋液至第一槽體100，以稀釋第一槽體100內的樣品。第一排氣系統600可相同於前述實施例，用以將第一槽體100內的氣體排出，以降低第一槽體100內的氣壓。

清洗設備1160可例如經由流管1162、1164分別連接到潔淨乾燥空氣與清洗液。清洗設備1160經由閥門1191連通於閥口1123並另經由閥門1195連通於第一槽體100。此外，藉由控制閥門1192與1193，可以選擇注入潔淨乾燥空氣或清洗液至取樣閥1120與/或第一槽體100。具體來說，本實施例可以經由流管1162注入潔淨乾燥空氣至第一槽體100，以增加第一腔室110內之氣壓。所注入之氣體可例如為壓縮氣體、氮氣或惰性氣體。或者，可以經由流管1164將清洗液注入取樣閥1120與/或第一槽體100，以清洗殘留的樣品(溶液)。

此外，針對取樣閥1120的切換操作說明如下。首先，取樣閥1120切換至如圖10A所示的狀態。此時，閥口1121與1122相連通，閥口1123與1124相連通，閥口1125與1126相連通。並且，閥口1122與1123不相連通，閥口1124與1125不相連通，且閥口1126與1121不相連通。此時，注入閥1110可由樣品注入口1111~1114的其中一個(例如樣品注入口1111)提供樣品至取樣閥1120。樣品可經由閥口1121與1122注入微量定量管件1127。在圖10A的狀態下，閥口1121、閥口1122、微量定量管件1127、閥口1125與閥口1126彼此連通使得樣品進入取樣閥1120後會沿 著流路F1流動。為可確保樣品填滿微量定量管件1127，可繼續注入樣品，使多餘的樣品沿著流路F1繼續流動而朝向洩料端流出。也就是說，圖10A的步驟有助於使樣品填滿微量定量管件1127。

接著，取樣閥1120可切換至如圖10B所示的狀態。此時，閥口1122與1123相連通，閥口1124與1125相連通，閥口1126與1121相連通。並且，閥口1121與1122不相連通，閥口1123與1124不相連通，且閥口1125與1126不相連通。如此一來，可定義出流路F2以進行樣品注入的步驟。

具體來說，進行樣品注入步驟時，來自流管1162的潔淨乾燥空氣可延著流路F2被注入微量定量管件1127，以將微量定量管件1127內的樣品順著流路F2推擠，使微量定量管件1127內的樣品依序經由閥口1125與1124而被注入到第一槽體100內。在此步驟中，可以控制來自流管1162的潔淨乾燥空氣注入量以調整樣品被注入到第一槽體100內的體積。藉著圖10A與圖10B的操作，注入至第一槽體100的樣品體積可以更為精準地受到控制。

參酌前述說明，本技術領域中具有通常知識者當能以現有技術水平，結合本實施例的取樣元件1100與前述實施例所揭露的第二槽體200、混合組件400、第二進氣系統700、第二排氣系統800、清洗設備900、控制器940等，來實現取樣與前處理等功能。相關構件的說明可參酌前述實施例，此處不再贅述。

在完成上述定量樣本(即第一溶液40)與第二溶液42的注入步驟之後，如圖6與圖7所示，透過第一進氣系統500、第一排 氣系統600、第二進氣系統700及第二排氣系統800於第一腔室110與第二腔室210間形成壓差，以使第一溶液40與第二溶液42反復流過第一腔室110和第二腔室210間之混合組件400，以達到混合效果。

如圖6所示，第一進氣閥530、第二排氣閥830及二第二開關閥430打開，且洩料開關閥930關閉。第一進氣系統500自第一進氣口140將氣體注入第一腔室110(可沿箭頭f所指示之方向)，且第二排氣系統800自第二排氣口230將第二腔室210內之氣體排出(可沿箭頭g所指示之方向)，以令第一腔室110之壓力大於第二腔室210之壓力而驅動第三溶液44自第一腔室110流至第二腔室210(可沿箭頭h所指示之方向)，但並不以此為限。在其他實施例中，也可以僅操作第一進氣系統500注入氣體至第一腔室110，或僅操作第二排氣系統800將第二腔室210內之氣體排出，以令第一腔室110之壓力大於第二腔室210之壓力即可。

如圖7所示，第二進氣系統700自第二進氣口220將氣體注入第二腔室210(可沿箭頭j所指示之方向)，且第一排氣系統600自第一排氣口150將第一腔室110內之氣體排出(可沿箭頭i所指示之方向)，以令第二腔室210之壓力大於第一腔室110之壓力而驅動第三溶液44自第二腔室210流至第一腔室110(可沿箭頭k所指示之方向)，但並不以此為限。在其他實施例中，也可以僅操作第二進氣系統700注入氣體至第二腔室210，或僅操作第一排氣系統600將第一腔室110內之氣體排出，以令第二腔室210之 壓力大於第一腔室110之壓力即可。

其中，氣體直接灌入容置流體之第一腔室110與第二腔室210，將可使位於第一腔室110或第二腔室210內之流體流經混合器420，而提升溶液混合裝置10的混合效果。

可重覆上述圖6與圖7之步驟至少一次，以獲得較佳混合後的第四溶液46(如圖8所示)。分析設備30自取樣端32抽取混合後之第四溶液46(可沿箭頭1所指示之方向)，以進行分析。

由於第三溶液44的混合效果與混合器420之長度有關，故混合器420之長度越長，則第三溶液44之混合效果越佳。然，為了能達到微型化溶液混合裝置10之體積的目的，本實施例之溶液混合裝置10所採用之混合器420的尺寸無法無限制地延伸。在受到混合器420尺寸的限制之下，本實施例之溶液混合裝置10係透過進、排氣系統的驅動使第三溶液44反復流過混合器420，以增加第三溶液44通過混合器420的次數。也就是說，利用第三溶液44流過混合器420之次數增加來彌補混合器420尺寸不足所造成混合效果降低的問題，進而兼顧微型化溶液混合裝置10之體積及提升溶液混合裝置10之混合效果。

請參閱圖9。圖9為根據本申請另一實施例所述之溶液混合裝置連接於工作管線及分析設備的系統示意圖。本實施例與上述實施例相似，故下述僅針對相異處進行說明。

上述實施例中，混合用之管路係與洩料用之管路共用，然在本實施例中，混合用之管路係與洩料用之管路分開。如此一 來，將有助於進一步提升溶液混合裝置10之混合品質的穩定性。

本實施例之溶液混合裝置10可更包括一連接流管950、一洩料流管960及一洩料開關閥970，連接流管950的相對兩端分別連通於第一腔室110與第二腔室210。洩料流管960連通於連接流管950。洩料開關閥970設於洩料流管960，用以控制洩料流管960的流通狀態。

本實施例之溶液混合裝置10可更包括二第三開關閥980，設於連接流管950之相對兩端，用以控制連接流管950的流通狀態。

混合組件400之二第二流管410分別透過二流體抽取管990連通第一腔室110與第二腔室210。

流體要混合時，流體會從流體抽取管990及第二流管410流至混合器420。然而，要洩出流體時，流體會從連接流管950、洩料流管960及洩料開關閥970洩出，進而達到混合用之流管與洩料用之流管分離的目的。

本申請之一實施例所揭露的溶液混合裝置及其混合方法，係透過進、排氣系統的驅動使溶液反復流過混合器，以增加溶液通過混合器的次數。如此，利用溶液流過混合器之次數增加來彌補混合器尺寸不足所造成混合效果降低的問題，進而兼顧微型化溶液混合裝置之體積及提升溶液混合裝置之混合效果。

混台器例如為靜態混合器可避免微粒子團聚或脫落現象產生，進而提升溶液混合裝置之混合效果。

此外，氣體流道與液體流道共用，使得氣體流動時，可帶動液體流道內之液體流動，讓液體流道內之所有液體能夠充分混合，以進一步提升溶液混合裝置之混合效果。

借助前述多個實施例的溶液混合裝置及其混合方法，將稀釋混合的溶液提供給分析設備進行分析。當結合分析設備時，本申請之一實施例可以構成溶液粒子監測系統，來實現對多種微小粒子(如奈米粒子)溶液進行自動化、在線式監測。

圖11為根據本申請一實施例所述之溶液粒子監測系統的示意圖。如圖11所示，溶液粒子監測系統1000可包括溶液混合裝置1210以及分析設備1220。在本實施例中，溶液混合裝置1210可以採用前述實施例所記載圖1至圖9的溶液混合裝置10以及各部件來實現，並且溶液混合裝置10中的取樣元件300亦可視需要選擇用圖10A與圖10B的取樣元件1100來取代。也就是說，溶液混合裝置1210可以進行取樣、稀釋、混合等處理步驟。另外，分析設備1220包括氣膠化裝置1300、粒子尺寸篩選裝置1400與粒子計數器1500。前述多個實施例之分析設備30可被氣膠化裝置1300、粒子尺寸篩選裝置1400與粒子計數器1500所組成的分析設備1220所取代，但不以此為限。

當溶液混合裝置1210例如以具有圖10A與圖10B的取樣元件1100時，溶液粒子監測系統1000的操作方法包括將具有微小粒子(例如粒徑介於1奈米至1000奈米之間)的待測溶液通入取樣元件1100後，藉由取樣元件1100擷取定量體積的第一溶液40。 利用溶液混合裝置1210對第一溶液40進行預定比例的稀釋與混合等前處理步驟，以獲得前處理完成的樣品溶液。之後，前處理完成的樣品溶液例如是由溶液混合裝置1210汲取出來以輸入給氣膠化裝置1300。

圖12為根據本申請一實施例所述之氣膠化裝置的示意圖。本實施例的氣膠化裝置(aerosolization apparatus)可以是電噴灑產生器(Electrospray)、超音波霧化器(Ultrasonic Nebulizer)、氣體霧化器(Atomizer)或各式液珠產生器(Droplet Generator)等。

本實施例的氣膠化裝置1300是以氣體霧化器為例。請參考圖12，氣膠化裝置1300包括樣品溶液導入口1310、構成氣膠化產生元件的高壓氣體導入口1320與氣膠化微孔1330、加熱元件1340、乾燥元件1350與氣膠粒子導出口1360。樣品溶液導入口1310可與溶液混合裝置1210相連通，經前處理完成之樣品溶液通過樣品溶液導入口1310進入氣膠化系統1300內。氣膠粒子導出口1360可與樣品溶液導入口1310相對。氣膠化微孔1330位於樣品溶液導入口1310與氣膠粒子導出口1360之間。高壓氣體導入口1320連接至氣膠化微孔1330。氣膠化所需之氣體壓力源由高壓氣體導入口1320通入至氣膠化微孔1330處。由高壓氣體產生之強大剪切力能使樣品溶液氣霧化形成氣膠粒子。加熱元件1340與乾燥元件1350位於氣膠化微孔1330處之後，而產生之氣膠粒子會通過加熱元件1340與乾燥元件1350，以消除氣膠粒子表面過多的溶液。之後，氣膠粒子會由氣膠粒子導出口1360被傳送至粒子 尺寸篩選裝置1400。

在本實施例中，加熱元件1340與乾燥元件1350可位於氣膠化微孔1330與氣膠粒子導出口1360之間。然而，在本申請其他實施例中，也可以選擇將加熱元件1340與乾燥元件1350設置於氣膠粒子導出口1360之後，以達到相同的效果。此外，本實施例亦不限制加熱元件1340與乾燥元件1350的先後位置。例如，圖12的加熱元件1340與乾燥元件1350的位置可以互換。

本實施例之氣體霧化器主要係依據伯努力原理，以造成局部氣壓差的方式抽取待霧化樣品溶液，並於氣膠化微孔1330處以高速氣體對樣品溶液進行衝擊，使樣品溶液受到強大剪切力而分散成為氣膠粒子。然而，以此架構產生之氣膠粒子可能會被液膜包覆，導致量測結果與真實分布不一致；另外亦可能有不含粒子的液滴於未蒸發完全時即被後端系統所偵測。因此，針對上述易造成誤差的現象，本實施例在氣膠粒子導出口1360之前或之後設置加熱元件1340及乾燥元件1350，以去除液滴及氣膠粒子表面液膜的影響。

圖13為根據本申請一實施例所述之粒子尺寸篩選裝置的示意圖。本實施例的粒子尺寸篩選裝置可以是微分電移動度分析儀(Differential Mobility Analysis)、靜電式分選器(Electrostatic classifier)或質譜儀(Mass Spectrometer)等。本實施例的粒子尺寸篩選裝置1400是以微分電移動度分析儀為例，其主要是利用氣膠粒子電移動度之不同來作為篩選依據。粒子尺寸篩選裝置1400包括 氣膠粒子導入口1410、中和器1420、粒子篩選腔體1402、以及篩選後粒子出口1460。氣膠粒子導入口1410可與氣膠化裝置1300的氣膠粒子導出口1360相連通。粒子篩選腔體1402與氣膠粒子導入口1410相連通。中和器1420配置於氣膠粒子導入口1410與粒子篩選腔體1402之間。樣品溶液經氣膠化後形成的氣膠粒子會被送進氣膠粒子導入口1410，藉由通過中和器1420使得氣膠粒子得以帶有固定分佈之電荷，並經過多次粒子間相互碰撞後形成接近波茲曼分佈之帶電分佈，之後，進入粒子篩選腔體1402。粒子篩選腔體1402具有邊鞘流體導入口1430，且粒子篩選腔體1402內設置有電極1440，其中電極1440之形狀可例如為圓柱形。由邊鞘流體導入口1430通入之邊鞘氣體，會將氣膠粒子帶往粒子篩選腔體1402底部，此時藉由調整電極1440之電壓，則可在粒子篩選腔體1402的腔壁(假設此處為接地端)與電極1440(假設此處為負電壓)之間形成一電場並吸引帶正電荷之氣膠粒子。藉由邊鞘氣體驅動氣膠粒子之拖曳力與電場吸引氣膠粒子之吸引力達成平衡狀態，可使具某特定電移動度之氣膠粒子移動至篩選通道1450而被蒐集。因此，藉著改變多組掃描電壓的方式，可以將不同粒徑的氣膠粒子篩選出來。篩選後粒子出口1460與篩選通道1450相連通，被選定之氣膠粒子會由篩選後粒子出口1460被傳送至粒子計數器1500作統計分析。在一實施例中，可更包括一流體排出口1470，其中流體排出口1470可與粒子篩選腔體1402相連通，多餘的邊鞘氣體與粒子則會經由流體排出口1470被排出粒子篩選腔 體1402。

由於微分電移動度分析儀是依據電移動度與粒子粒徑的相關性進行分選，但不同粒徑與帶有不同電荷量的粒子可能會有相同電移動度，因此在進行電移動度篩選前，本實施例可以藉由中和器1420來進行粒子電荷的平衡控管，使粒子帶電荷量之分佈能形成固定比例。在中和器1420內，不同帶電量的氣膠粒子可經隨機性熱擾動而與高濃度的雙極性離子(bipolar ions)進行碰撞，氣膠粒子藉此達成一固定帶電比例的平衡狀態，亦即各帶電量的粒子佔總群體多少比例為已知。也由此，能在後面的分析步驟中依據粒子計數器1500量測到的粒子數量來推知整體溶液的粒子粒徑分布。

圖14為根據本申請一實施例所述之粒子計數器的示意圖。本實施例的粒子計數器可以是凝核計數器(Condensation Particle Counter)、液相粒子計數器(Liquid Particle Counter)、離散式氣膠粒子計數器(Discrete Airborne Particle Counter)或靜電計(Electrometer)等。本實施例的粒子計數器1500是以凝核計數器為例。凝核計數器是將氣膠粒子通過某種飽和蒸氣腔體後再予以冷凝，使氣膠粒子得以吸附蒸氣而形成一殼層，進而可被光學計數器偵測分析。請參考圖14，氣膠粒子導入口1510與粒子尺寸篩選裝置1400的篩選後粒子出口1460相連通。飽和蒸氣腔體1520可與氣膠粒子導入口1510相連通。經粒子尺寸篩選裝置1400篩選後之氣膠粒子被送至氣膠粒子導入口1510。用以形成包覆殼層之 飽和蒸氣充滿於飽和蒸氣腔體1520內。冷凝器1530與飽和蒸氣腔體1520相連通。氣膠粒子通過飽和蒸氣腔體1520後，其表面會吸附蒸氣。當通過冷凝器1530時即會凝結成一較大尺寸具有包覆殼層的粒子，故得以光源及光偵測器模組1540偵測到，以計算通過光源及光偵測器模組1540的粒子數量，並進行統計分析。

本實施例中，採用凝核計數器(即粒子計數器1500)將粒子先以凝核方式成長至例如10微米，再以光學方式進行偵測。在一過飽和蒸氣中，懸浮的粒子即是蒸氣冷凝時的成核點，並得以成長形成較大液珠，此過程稱為異質成核(heterogeneous nucleation)。在凝核計數器(即粒子計數器1500)中，可以精確控制蒸氣的過飽和程度，使之不超過其臨界值，以避免蒸氣間自行發生均質成核(homogeneous nucleation)，形成不帶任何粒子的蒸氣液包。

凝核計數器(即粒子計數器1500)可例如採用熱擴散式冷凝法(diffusional thermal cooling method)，氣膠粒子(或液珠)先被送進飽和蒸氣腔體1520，使氣膠粒子得以異質成核方式吸附蒸氣。當氣膠粒子離開飽和蒸汽腔體1520後，飽和蒸氣隨即被冷凝器迅速冷卻而凝結於氣膠粒子表面，使氣膠粒子形成較大的液珠。在一實施例中，由於過飽和冷凝易發生在沿流動方向之腔體中心處，例如區域A中，故，可以選擇在飽和蒸氣腔體1520內外加邊鞘流體，使氣膠粒子聚焦通過飽和蒸氣腔體1520，以確保大多數氣膠粒子可以經過飽和冷凝。經冷凝成長後之較大尺寸液珠 也可藉由一噴嘴(未繪示)聚焦，爾後逐一順序通過光學感測器而被計數。

本申請之一實施例所提出的溶液混合裝置與混合方法可以增加溶液通過混合器的次數，以彌補混合器尺寸不足所造成混合效果降低的問題，進而兼顧微型化溶液混合裝置之體積及提升溶液混合裝置之混合效果。另一方面，整合前述的溶液混合裝置於監測系統中，可藉由監測系統來實現對溶液內微小粒子的監測。首先，藉由溶液混合裝置之取樣元件擷取定量體積的溶液，並且對此溶液進行預定比例的稀釋與混合，以作為樣品溶液。氣膠化裝置可將樣品溶液氣膠化為多個氣膠粒子。之後，可藉由粒子尺寸篩選裝置篩選出特定尺寸範圍的氣膠粒子，再以粒子計數器計算篩選後的氣膠粒子的數量。應注意的是，倘若溶液已不需稀釋、混合之前處理，則可省略上述取樣與前處理步驟，直接將待測溶液通入氣膠化裝置，形成氣膠粒子，並進行後續的步驟。如此，可精確解析具多重粒徑分佈之微小粒子的溶液，以滿足自動化、在線式監測溶液粒子之需求。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1000‧‧‧監測系統

1210‧‧‧溶液混合裝置

1220‧‧‧分析設備

1300‧‧‧氣膠化裝置

1400‧‧‧粒子尺寸篩選裝置

1500‧‧‧粒子計數器

Claims (25)

1. 一種溶液混合裝置，包括：一第一槽體，包括一第一腔室及一第一進液口；一第二槽體，包括一第二腔室；一取樣元件，連通於該第一腔室；一流量控制元件，透過該第一進液口與該第一腔室相連通；以及一混合組件，該混合組件之一端連通於該第一腔室，該混合組件之相對一端連通於該第二腔室。
2. 如申請專利範圍第1項所述之溶液混合裝置，更包括一第一流管及一第一開關閥，該第一開關閥設於該第一流管，該第一槽體更包括一第二進液口，該第二進液口與該第一腔室相連通，並用以透過該第一流管與一工作管線相連通。
3. 如申請專利範圍第1項所述之溶液混合裝置，其中該混合組件包括二第二流管及一混合器，該二第二流管分別連通於該混合器的相對兩端，且該二第二流管分別連通於該第一腔室與該第二腔室。
4. 如申請專利範圍第3項所述之溶液混合裝置，其中該混合器為靜態混合器。
5. 如申請專利範圍第3項所述之溶液混合裝置，其中該混合組件更包括二第二開關閥，該二第二開關閥分別設於該二第二流管。
6. 如申請專利範圍第5項所述之溶液混合裝置，更包括一洩料開關閥，該洩料開關閥設於位於該第一槽體與該混合器之間的該第二流管。
7. 如申請專利範圍第5項所述之溶液混合裝置，更包括一連接流管、一洩料流管及一洩料開關閥，該連接流管的相對兩端分別連通於該第一腔室與該第二腔室，該洩料流管連通於該連接流管，該洩料開關閥設於該洩料流管。
8. 如申請專利範圍第7項所述之溶液混合裝置，更包括二第三開關閥，設於該連接流管之相對兩端。
9. 如申請專利範圍第1項所述之溶液混合裝置，其中，該第一槽體更包括一第一進氣口及一第一排氣口，該第一進液口、該第一進氣口及該第一排氣口分別與該第一腔室相連通，該第二槽體更包括一第二進氣口及一第二排氣口，該第二進氣口及該第二排氣口分別與該第二腔室相連通。
10. 如申請專利範圍第9項所述之溶液混合裝置，更包括：一第一進氣系統與一第一排氣系統，分別透過該第一進氣口與該第一排氣口和該第一腔室相連通；以及一第二進氣系統與一第二排氣系統，分別透過該第二進氣口與該第二排氣口和該第二腔室相連通。
11. 如申請專利範圍第10項所述之溶液混合裝置，其中該第一進氣系統更包括一第一進氣設備、一第一進氣流管及一第一 進氣閥，該第一進氣流管之相對兩端分別連通於該第一進氣口與該第一進氣設備，該第一進氣閥設於該第一進氣流管。
12. 如申請專利範圍第11項所述之溶液混合裝置，其中該第二進氣系統更包括一第二進氣設備、一第二進氣流管及一第二進氣閥，該第二進氣流管之相對兩端分別連通於該第二進氣口與該第二進氣設備，該第二進氣閥設於該第二進氣流管。
13. 如申請專利範圍第10項所述之溶液混合裝置，其中該第一排氣系統更包括一第一排氣設備、一第一排氣流管及一第一排氣閥，該第一排氣流管之相對兩端分別連通於該第一排氣口與該第一排氣設備，該第一排氣閥設於該第一排氣流管。
14. 如申請專利範圍第13項所述之溶液混合裝置，其中該第二排氣系統更包括一第二排氣設備、一第二排氣流管及一第二排氣閥，該第二排氣流管之相對兩端分別連通於該第二排氣口與該第二排氣設備，該第二排氣閥設於該第二排氣流管。
15. 如申請專利範圍第10項所述之溶液混合裝置，更包括一控制器，用以控制該取樣元件、該流量控制元件、該第一進氣系統、該第一排氣系統、該第二進氣系統及該第二排氣系統。
16. 如申請專利範圍第1項所述之溶液混合裝置，其中該取樣元件具有一汲取口，該汲取口位於該第一腔室內。
17. 如申請專利範圍第1項所述之溶液混合裝置，其中該取樣元件為針筒泵浦或蠕動式泵浦。
18. 如申請專利範圍第1項所述之溶液混合裝置，其中該取樣元件包括一注入閥與一取樣閥，該取樣閥連通至該第一槽體，該注入閥連通至該取樣閥，一第一溶液由該注入閥注入該取樣閥再由該取樣閥注入至該第一腔室內，且該取樣閥具有一微量定量管件用以將預定體積的該第一溶液注入該第一腔室內。
19. 一種溶液混合方法，其步驟包括：注入定量的一第一溶液至一第一腔室內；注入一第二溶液至一第一腔室，並透過一流量控制元件控制該第二溶液的注入量；以及使該第一溶液與該第二溶液反復流過該第一腔室和該第二腔室之間。
20. 如申請專利範圍第19項所述之溶液混合方法，其中使該第一溶液與該第二溶液反復流過該第一腔室和該第二腔室之間的方法是：透過一第一進氣系統、一第一排氣系統、一第二進氣系統及一第二排氣系統於該第一腔室與一第二腔室間形成壓差，以使該第一溶液與該第二溶液反復流過該第一腔室和該第二腔室之間的一混合組件。
21. 如申請專利範圍第19項所述之溶液混合方法，其中注入定量的該第一溶液至該第一腔室內的步驟包括：注入未定量的該第一溶液至該第一腔室內；透過一取樣元件汲取該第一腔室內之該第一溶液，並控制該 第一溶液的汲取量；清除該第一腔室內之該第一溶液；以及將該取樣元件所擷取之該第一溶液重新注入該第一腔室。
22. 如申請專利範圍第21項所述之溶液混合方法，其中於清除該第一腔室內之該第一溶液的步驟後，更包括下列步驟：透過一清洗設備清洗該第一腔室。
23. 如申請專利範圍第19項所述之溶液混合方法，其中注入定量的該第一溶液至該第一腔室內的步驟包括：由一取樣元件的一注入閥注入未定量的該第一溶液至該取樣元件的一取樣閥；以及由該取樣閥的一微量定量管件將定量的該第一溶液注入該第一腔室內。
24. 如申請專利範圍第20項所述之溶液混合方法，其中透過該第一進氣系統、該第一排氣系統、該第二進氣系統及該第二排氣系統於該第一腔室與該第二腔室間形成壓差，以使該第一溶液與該第二溶液反復流過該第一腔室和該第二腔室之間的該混合組件的步驟，更包括下列步驟：該第一進氣系統自該第一進氣口將氣體注入該第一腔室，以及該第二排氣系統自該第二排氣口將氣體排出該第二腔室，以令該第一腔室之壓力大於該第二腔室之壓力而驅動該第一溶液與該第二溶液自該第一腔室流至該第二腔室；以及該第二進氣系統自該第二進氣口將氣體注入該第二腔室，以 及該第一排氣系統自該第一排氣口將氣體排出該第一腔室，以令該第二腔室之壓力大於該第一腔室之壓力而驅動該第一溶液與該第二溶液自該第二腔室流至該第一腔室。
25. 如申請專利範圍第19項所述之溶液混合方法，其中該第一溶液之液體量與該第二溶液之液體量的比值介於1/10至1/5000之間。