JP2008536095A

JP2008536095A - 流体濃度感知配置

Info

Publication number: JP2008536095A
Application number: JP2007555261A
Authority: JP
Inventors: デイビッドアール．カッテラー，; ロニーエー．ブラウン，; スコットプロパー，
Original assignee: スワゲロックカンパニー
Priority date: 2005-02-11
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2008-09-04
Also published as: WO2006086682A2; US20060191571A1; WO2006086682A3; WO2006086682B1; TW200636227A; KR20070107759A

Abstract

光学流体濃度センサを含む流体流動配列が開示される。一つの配列は、流体流動をセンサ窓に向かうあるいは当たる方向に向ける。一つの配列は、センサが感知する領域への光の侵入を阻止する。一つの配列は、混和流体を監視する複数のセンサを含む。すなわち、ａ）流入開口、流出開口、および前記流入開口と前記流出開口との間に配置された空洞を有する流動部材と、ｂ）感知面が空洞と連通するように、流動部材に組み付けられた流体濃度センサであって、空洞は、流体が常に感知面と接触しているように、流体流動を感知面に当たる方向に向ける流体濃度センサとを備える、流体濃度感知配列が開示される。

Description

（関連出願）
本出願は、流体濃度センサのための配置に対する２００５年２月１１日に出願された米国仮特許出願第６０／６５２，０８３号、流体濃度センサのための配置に対する２００５年２月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／６５２，６５０号、および流体濃度感知配置に対する２００５年１２月７日に出願された米国仮特許出願第６０／７４８、８１７号の利益を請求し、それらの全体の開示が、参照により全体として明細書に含まれる。

（本発明の分野）
本発明は、流体濃度感知配置に関する。特に、本発明は、光学流体濃度センサを含む流体濃度感知配置に関する。

（発明の背景）
多くの工業および製造過程において、材料を加工するために流体（液体および気体）が使用される。これらの流体は、多くの場合、二種類以上の流体の混合物あるいは溶液である。流体を利用しておこなわれる過程の成否は、適当な流体濃度を有する溶液あるいは混合物にかかっている。この濃度を正確で効率的な方法で測定することは、工業および製造過程の成功につながる。

工業および製造過程は、多くの場合、要素を流体あるいは流体溶液に接触させることによる。かかる過程の例としては、要素への溶液蒸着により制御された化学反応を引き起こす過程、要素を流体の流れの中で洗浄あるいは濯ぐことにより、混入物質を除去するあるいは化学反応を停止させる過程が挙げられる。これらの過程では、過程内で流体あるいは溶液を特定の位置に方向付けるために、しばしば流体流動システムが必要となる。

（発明の要旨）
本出願の一つの側面によると、流体流動を流体濃度センサの感知面に向かうあるいは当たる方向に向ける流動部材を含む、流体濃度感知配列が提供される。結果として、流体は常に感知面に当たる方向に向き、流体が面に対して平行方向に移動するときに発生する境界条件が緩和、あるいは解消される。一実施例では、流動部材は、流体流動を感知面に向かうあるいは当たる方向に向ける略椀状空洞を含む。

本出願の別の側面によると、流体濃度感知配列は、感知範囲への光の侵入を阻止するよう位置付けられる不透明材料を備える。感知範囲への光の侵入を阻止することにより、流体濃度のより正確な測定が可能となる。

本出願の一つの側面は、流体混合システムに関する。一つの流体混合システムは、マニホールド部材、第一の流体制御弁、第一の流体濃度センサ、第二の流体制御弁、第二の流体濃度センサ、および混合流体濃度センサを含む。第一および第二の弁は、流体濃度センサからの入力に基づいて操作され、混和流体の濃度を制御してよい。

本出願の別の側面は、サファイア、サファイア結晶、ガラス、石英、あるいは光学品質プラスチック窓などの窓の流体濃度センサへの固定に関する。窓と流体濃度センサとの間の浮きあるいは相対運動を解消することにより、より正確な流体濃度測定が可能となる。

添付図面と併せて以下の説明と添付の請求項を検討することにより、当業者にはさらなる利益と利点が明らかとなる。

（発明の詳細な説明）
本発明は、流体濃度センサ１２を含む流体濃度感知配列１０に関する。図解される流体濃度センサ１２は光学流体濃度センサであるが、いかなる種類の流体濃度センサも、開示される流体濃度感知配列の特長を利用してよいことは容易に理解される。使用してよい光学センサの種類には、型番ＴＳＰＲ２ＫＸＹ−ＲのＴＩ屈折率センサなどの屈折率センサがある。開示される流体濃度感知配列１０は、流動部材２０および流体濃度センサ１２を含む。流体濃度センサ１２は、センサの感知面１７が流体１９と連通するよう、流動部材２０に組み付けられる（図７参照）。流体は、液体あるいは気体であってよい。

流体濃度センサ１２は、さまざまな異なる方法で、流動部材２０に組み付けてよい。図１〜３および図４〜６は、二つの典型的な取り付け配置を図解する。図解される取り付け配置は、利用可能な各種取り付け配置の例である。流体濃度感知面１７を流体の近接に設置するいかなる取り付け配置も採用できる。図１〜３および図４〜６に図解される例では、光学液体濃度センサ１２は、典型的な実施例ではサファイア結晶レンズである窓１４を通して流体を感知するよう位置付けられる。窓１４は、さまざまな異なる材料から作ることができる。窓は、屈折率感知を促進するいかなる材料からも作ることができる。窓１４は、例えばサファイア、サファイア結晶、石英、光学レンズ品質プラスチック、任意の結晶材料、あるいは用途に適する任意の材料などから作ることができる。適切なセンサ窓材料を選択するために、さまざまな基準を利用してよい。これらの要素は、窓に接触する流体に対し、窓材料がどの程度不活性か、窓材料の費用、および／または窓材料の光学性能を含むが、これに限定されない。一つの実施例では、窓は、ガラス層に接合されるガラス層およびサファイア層を含む。例えば、素材の流体濃度センサは、通常、ガラス感知窓を備えてよい。より幅広い環境でセンサが使用できるように、サファイア窓などのより化学的に不活性な窓をガラス窓に接合してよい。別の実施例では、サファイア窓などのより化学的に不活性な窓は、ガラス窓を使用せず、流体濃度センサに直接組みつけてよい。例えば、サファイア窓は、流体濃度センサの封止材料に接合してよい。封止材料は、ポリカーボネート材料であってよい。

窓１４は、流体が接触する感知面１７を定める。窓１４は、液体濃度センサ１２に固定してよい。窓を濃度センサに固定することで、センサに対する窓の浮きが解消される。その結果、窓あるいはレンズ１４が動くことで引き起こされる測定誤差が解消される。窓１４は、さまざまな異なる方法でセンサに固定してよい。例えば、接着剤を使用して、窓をセンサに固定してよい。容認される接着剤には、紫外線硬化光学グレードエポキシなどのエポキシがある。容認される接着剤の一つとしてＨＹＳＯＬＯＳ１１０２があるが、これはサファイア層をガラス層に接合するために使用することができる。一つの実施例では、窓１４とセンサ１２との間の接合部全体が接着剤で覆われる。

センサ１２および付着された窓１４は、筐体１６に設置される。一つの実施例では、筐体１６とセンサ１２との間の容積は、封止材料により充填される。さまざまな異なる封止材料が使用できる。例えば、入手可能な各種誘電性、熱伝導性の封止材料が使用できる。誘電性、熱伝導性の封止材料の例としては、ＬｏｃｔｉｔｅＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なウレタンの誘電性封止材料がある。筐体１６は、流動部材２０に連結される。図解される流動部材２０は、流入開口２３、流出開口２５、および流入開口と流出開口との間に配置される感知空洞３２を定める。筐体１６は、窓１４を空洞に接触させるように連結されてよく、それによりセンサ１２は空洞で流体１９を感知することができる。

流体が筐体１６に侵入するのを防ぎ、センサ１２などの内部要素を保護することは、多くの適用において有益である。流体流動が筐体内に侵入するのを防ぐ方法の一つとして、筐体１６と窓１４との接合部にシールを形成して、流体の流れが筐体１６に侵入するのを阻止する方法がある。典型的な実施例では、筐体１６と流動部材２０との連結は、筐体１６を流動部材２０に連結する力の大部分が筐体１６および流動部材２０に加えられ、力のごく一部が窓１４に加えられるよう構成される。窓１４に加えられる力は、窓１４にダメージを与えないが、窓１４と弁本体２０との間に確実なシールを提供するのに十分である。

図２および３に図解される例では、筐体接合部部材２２および流動要素接合部部材２４は、窓１４を適切な位置と調整に保持する。筐体接合部部材２２は、中にセンサ１２が位置付けられるスロット２６を含む。流動要素接合部部材は、流動部材の凹所３１内に収まるように寸法が決められるリングであり、窓１４を受け入れる凹所３３を有する。凹所の高さは、窓１４の厚さよりやや小さくてよい。この差異は、窓に加えられる力をもたらし、流動要素接合部部材と窓との間におけるシールの形成を助ける。筐体１６を弁本体２０に固定する連結力の大部分は、窓１４を通して伝達される連結力の一部とともに、筐体接合部部材２２および流動要素接合部部材２４を通して伝達される。窓を通して伝達される力の量は、凹所の深度、あるいは接合部部材が作られる材料を変更することにより調整できる。接合部部材２２および２４は、シールが作成でき、力が伝達できるいかなる材料も可能である。材料は、例えば、テフロン（登録商標）として一般に知られるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であってよい。

一つの実施例では、窓１４と空洞との間に保護材料の層を設置してよい。この材料は、テフロン（登録商標）など、いかなる透明あるいは半透明材料であってもよい。保護材料の層は、腐食性である可能性がある化学薬品から窓１４を保護し、接合部部材２２および２４によって作成されるシールを強化してよく、より小さい力を窓１４に加えてシールを作成することができる。

流動部材２０は、基部３４に連結されてよい。基部３４は、流体濃度感知配列１０を、従来の方法で、都合よく、流体流動システム内の位置に固定させることができる。

取り付け配置の二つ目の例は、図４〜６に示される。Ｏリング２８は、力を筐体１６から窓１４へと伝達して窓を接合部部材２４に押し付け、これらの間にシールを作成する。接合部部材２４は、窓１４と筐体１６によって流動部材に押し付けられ、流動部材と接合部部材との間にシールを作成する（図５Ａ参照）。筐体１６と流動部材２０とを連結する力の大部分は、筐体１６から接合部部材２４へと直接伝達される。例では、筐体１６は、接合部部材をかみ合わせるアニュラリングを定める。力の小さい方の部分は、Ｏリング２８を通して伝達される。アニュラリング、接合部部材２４、およびＯリング２８の寸法と材料を変更して、Ｏリングと窓を通して伝達される力の量を設定することができる。Ｏリング２８は、力を吸収し、窓あるいはレンズ１４を保護する弾性部材である。

図７および８を参照すると、本出願の一つの側面は、流体５０を流体濃度センサ１２の感知面１７に向かうあるいは当たる方向に流れるように方向付けることに関する。結果として、流体５０は常に感知面１７に当たる方向に向き、流体が面に対して平行方向に移動するときに発生し、感知面との常時の接触を阻止する可能性がある境界条件を緩和あるいは解消する。図７および８に図解される例では、流動部材２０は、流入口路２３、流出口路２５、および流入口路と流出口路との間にあり、流体流動を感知面に向かうあるいは当たる方向に向ける略椀状空洞３２を含む。典型的な実施例では、一部の流体は、感知面に対して略横断方向に、感知面１７に向かって方向転換する。図７〜９に図解される椀状空洞３２は、採用してもよいさまざまな異なる空洞形状のうちの一例に過ぎない。事実上、流体流動を感知面と平行ではなく、感知面に向かうあるいは当たる方向に向けるいかなる空洞形状も使用してよい。典型的な実施例では、センサ１２は、感知面１７に向けられた流体の濃度を測定する。

図７は、流動部材２０の椀状空洞３２における流動パターン概略である。ライン５４は、流動部材２０を通る流体流動を図解する。矢印５６は、流動部材２０を通って流れる流体の速度を表す。より大きい矢印５６はより速い流体流動を示し、より小さい矢印はより遅い流体流動を示す。図７は、流体５０の大部分は流入口２３から流出口２５へ直接流れ、この流体の流動が比較的速い様子を図解する。流体５０の部分５６は、空洞内で感知面１７に向かって流れる。この流体は空洞内で循環し、徐々に流出口から流出する。感知面１７に向かう流体の流動と空洞内での流動の循環は、流入口２３から流出口２５への直接の流動よりもかなり遅い。典型的な実施例では、センサは流体の動作の遅い部分における屈折度を測定する。動作の遅い流体を測定することで、センサが流体の濃度を測定する精度が向上する。

図８は、椀状空洞３２を有する流動部材２０における流動パターンの別の図解である。異なる斜交平行パターン６２、６４、６６、６８は、流動装置における異なる流体速度範囲を表す。パターン６２および６４は、図７に示すように、流体が感知面１７に向けられる領域にある椀空洞３２内に位置する。パターン６２および６４は、比較的遅い速度を表す。一例では、パターン６２は毎秒０〜５フィートの流体流動の速度範囲を表し、パターン６４は毎秒５〜１０フィートの流体流動の範囲を表す。パターン６６および６８は、比較的速い速度を表す。例では、パターン６６は毎秒１０〜２０フィートの流体流動の速度範囲を表し、パターン６８は毎秒２０フィートを超える流体流動速度を表す。図８に図解される例では、流体速度は１００ｌｂｆ／ｉｎ^２以下の流入口圧力に対応してよい。例えば、流入口圧力は、約８０ｌｂｆ／ｉｎ^２であってよい。一例では、センサの感知面における５ミリメートルの範囲内の椀状空洞３２での流動は、毎秒１０フィート以下である。典型的な実施例では、圧力が空洞３２内で維持され、流体は常に感知面と接触している。

光学センサ１２による濃度測定の精度は、一部の流体の流れがセンサ１２により可視となる時間が増加し、可視流体の速度が低下すると向上する。深い空洞３２あるいは椀を有する流動部材２０は、一部の流体の流れがセンサ１２により可視となる時間を増加し、センサにより可視となる流体の速度を低下させる。それにより、深い椀状空洞は、センサ１２によって観測される濃度の精度を向上させる。深い椀状空洞を有する流動部材の例としては、Ｂｒｏｗｎによりサニタリーダイヤフラム弁について米国特許第６，３９４，４１７号に開示され、２００２年５月２８日に特許された（以下‘４１７号特許とする）弁本体、およびＲａｓａｎｏｗによりサニタリーダイヤフラム弁について米国特許第６，１２３，３２０号に開示され、２０００年９月２６日に特許された（以下‘３２０号特許とする）弁本体があるが、これらはこの参照により開示に含まれる。‘４１７号特許および‘３２０号特許により開示される弁本体は、ここに述べる流動部材として使用してよい。弁本体の深い椀形状は、椀内を循環する一部の流体が椀から流出する時間を増加させるため、一部の流体の流れがセンサ１２によって可視となる時間を増加させる。開示され上記に挙げた参考文献に組み込まれる深椀状弁は、比較的占有面積が小さい。これにより、流体濃度アセンブリの流体流動システム内での配置が柔軟におこなえる。

図９〜１５を参照すると、本出願の別の側面は、感知範囲８２への光の侵入を阻止するよう位置付けられる不透明材料８０を備える流体濃度感知配列である（図１２および１３）。図１２および１３は、不透明材料が位置付けられる、流動部材２０および筐体１６における異なる位置の例を図解する。不透明材料８０は、図１２および１３に図解される位置以外に適用してもよい。さらに、いくつかの実施例では、不透明材料は、図１２および１３に図解される全ての位置に適用しなくてもよい。一つの実施例では、カーボンブラック顔料を添加して流動部材を不透明とする。筐体１６は、ポリプロピレン材料から作られてよい。流動部材は、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））材料から作られてよい。不透明材料は、筐体１６および／または流動部材の表面に適用することができる。感知範囲８２への光の侵入を阻止することにより、より正確に流体濃度が測定される。

図９〜１５に図解される例では、流体濃度感知配列１０は、流動部材２０、流体濃度センサ１２、筐体１６、および不透明材料８０を含む（図１２〜１５参照）。この出願では、不透明材料という表現は、センサ１２の測定に影響する可能性がある光線が感知範囲８２内を通過するのを阻止する材料を意味する。光線は、人の目に可視であっても、そうでなくてもよい。図９〜１５は、感知範囲への光の侵入を阻止するよう、流体濃度感知配列に適用される不透明材料の例を図解する。図９〜１５の例は、不透明材料を適用することができるさまざまな異なる方法の一部に過ぎない。不透明材料は、流体濃度感知配列１０の一つ以上の要素に対し、あらゆる方法で、また感知範囲への光の侵入を阻止するあらゆる位置に提供することができる。図９〜１５に図解される例では、流動部材２０は、少なくとも部分的に半透明の材料８４から作られてよい（図１２および１３参照）。不透明材料は、センサ１２の測定に影響を与える可能性がある光が空洞に侵入するのを阻止するよう位置付けられる。図９〜１３に図解される例では、不透明材料８０は、流動部材２０および筐体１６あるいはボンネットに適用される。

一つの実施例では、不透明材料は、流動部材２０および筐体１６あるいはボンネットのうち一つのみに適用されてよい。例えば、図９〜１３に図解される筐体１６あるいはボンネットは、流動部材２０を囲む不透明材料８０を有するシュラウド部分８６を含む。例では、シュラウド部分８６に適用される不透明材料８０は、流動部材８０に不透明材料８０を適用する必要性を排除してよい。同様に、流動部材２０に適用される不透明材料は、筐体に不透明材料を適用する必要性を排除してよい。

図１４に図解される例では、不透明材料８０は、流動部材２０の流入口２３あるいは流出口に連結される不透明導管８８を含む。不透明導管８８は、流体濃度感知配列１０の感知範囲への光の侵入を阻止する。図１５に図解される例では、導管９０は少なくとも部分的に半透明の材料から作られてよく、流入開口に連結される。不透明材料８０は、導管に適用される。不透明塗装を含む導管９０は、流体濃度感知配列１０の感知範囲への光の侵入を阻止する。

図１６を参照すると、本開示の別の側面は、流体の混合を制御するための、流体流動システム１００内の流体濃度感知アセンブリ１０の使用である。多数の機能を果たすよう、複数の流体濃度感知アセンブリ１０を流体流動システム内に設置してよい。例えば、複数の流体濃度感知アセンブリを、流体溶液または混和物の濃度を測定するために流れの中の異なる位置に設置し、許容できる比率の範囲内にない濃度を補正するために分析することができる。図１６に図解される例では、二つの流体１０２および１０４は、混合弁１０５によって混和される。流体は、いかなる応用において使用される流体であってもよい。例えば、流体は工業および製造過程で使用されてよい。流体濃度感知アセンブリ１０は混合弁下流の位置１０６に位置付けられ、流体１０２および／または流体１０４の濃度を測定する。測定は論理処理装置１０８に中継される。流体１０２および１０４の混和物の濃度が許容範囲あるいは比率にない場合、論理処理装置は、流体の流れへの接近を制御する下流の三方弁１１０に命令を送ることができる。この命令により、適切な量の流体１０２あるいは流体１０４を流体の流れに追加して、流体１０２および流体１０４の比率を許容範囲とするよう、弁に指示することができる。第二の流体濃度感知配列１０は、三方弁下流の位置１１２に位置付けられ、同様に流体１０２および／または流体１０４の濃度を測定する。測定は、流体の流れの濃度が適正であることを検証するために、論理処理装置１０８に中継される。濃度が適正でない場合、論理処理装置は、下流の誘導弁１１４に命令を中継して流体の流れを過程の経路から方向転換あるいは排除し、製造過程でのエラーを防止する。

図１７〜２１および２２〜２５は、流体混合システム２００の二つの例を図解する。図１７〜２１に図解される流体混合システム２００は、マニホールド部材２０２、第一の流体制御弁２０４、第一の流体濃度センサ２０６、第二の流体制御弁２０８、第二の流体濃度センサ２１０、および混合流体濃度センサ２１２を含む。図１７〜２１に図解される例では、制御弁２０４および２０８は、マニホールド部材２０２から分離している。図２１は、マニホールド部材２０２により定められる流動路を概略的に図解している。マニホールド部材は、第一の流体流入口路、第二の流体流入口路、および混合流体流出口路と流体連通する、第一の流体流入口路２１４、第二の流体流入口路２１６、混合流体流出口路２１８、および混合空洞２２０を定める。第一の流体制御弁２０４は、第一の流体の第一の流体流入口路２１４への流動を制御する。第一の流体濃度センサ２０６は、第一の流体流入口路２１４を通って流れる第一の流体の濃度を測定する。第二の流体制御弁２０８は、第二の流体の第二の流体流入口路２１６への流動を制御する。第二の流体濃度センサ２１０は、第二の流体流入口路を通って流れる第二の流体の濃度を測定する。混合流体濃度センサ２１２は、混合空洞２２０で混合された流体の濃度を測定する。制御装置２３０は、流体濃度センサ２０６、２１０、２１２、および弁２０４、２０８と連通する。制御装置２３０は、第一の流体濃度センサ２０６、第二の流体濃度センサ２１０、および混合流体濃度センサ２１２が提供する濃度信号に基づき、第一の流体制御弁２０４および第二の流体制御弁２０８を操作する。制御弁２０４および２０８が制御され、混合物内の第一および第二の流体の濃度を制御する。

図２１を参照すると、マニホールド部材２０２は、第一の流入口路２１４、第二の流入口路２１６、第一のセンサ空洞２４０、第二のセンサ空洞２４２、混合空洞２２０、および第三のセンサ空洞２４４を定める。図２０は、第三のセンサ空洞２４４および混合空洞２２０を図解する。典型的な実施例では、センサ空洞２４０および２４２は、空洞２４４と実質的に同様であるため、図２０での図示あるいは詳細説明を省く。センサ空洞２４４は略椀状である。ただし、センサ空洞は、流体を感知面１７に向かうあるいは当たる方向に向かせる形状を含み、流体濃度を測定できるいかなる形状であってもよい。図解される混合空洞２２０も、略椀状に示される。ただし、図解される混合空洞は、空洞２２０に流入する流体の混合に対し伝導性のあるいかなる形状であってもよい。図２１を参照すると、流入口弁２０４および２０８は、第一および第二の流入口路２１４および２１６に連結される。流体濃度センサ２０６および２１０は、第一および第二のセンサ空洞２４２および２４４と流体連通するよう位置付けられる（図２０におけるセンサ１２の位置決め例参照）。図２１を参照すると、第一および第二の流体は、第一および第二の流入口路２１４および２１６から、第一および第二のセンサ空洞２４０および２４２に流入し、流体濃度センサ２０６および２１０が第一および第二の流体の濃度を測定する。第一および第二の流体は、第一および第二のセンサ空洞２４０および２４２から混合空洞２２０に流入し、流体が混合する。図解される実施例では、別個の混合および第三のセンサ空洞２２０および２４４が含まれる。一つの実施例では、第三のセンサ空洞２４４は混合空洞としての役割を果たし、空洞２２０は省かれる。第三のセンサ空洞２４４において、一つ以上の流体濃度が、混合流体センサ２１２により測定される。

図２２〜２５は、弁２０４および２０８の室がマニホールド部材２０２により定められる、流体混合システム２００の例を図解する。図２５を参照すると、マニホールド部材２０２は、第一の弁流入口路２５０、第一の弁室２５２、第一の流入口路２１４、第二の弁流入口路２５４、第二の弁室２５６、第二の流入口路２１６、第一のセンサ空洞２４０、第二のセンサ空洞２４２、混合空洞２２０、および第三のセンサ空洞２４４を定める。弁流入口路２５０および２５４は、弁室２５２および２５６と流体連通である。弁室２５２および２５６は、流入口路２１４および２１６と流体連通である。図２３を参照すると、典型的な流入口弁２０８の断面図が示される。流入口弁２０４は流入口弁２０８と実質的に同様であるため、流入口弁２０４については詳細を記述しない。流入口弁２０８は、マニホールド部材２０２内に定められる弁室２５２と、マニホールド部材２０２に組み付けられるシーリングアセンブリ２６０とによって定められる。図２３は、使用できるさまざまな異なるシーリングアセンブリおよび弁空洞の配列のうち一例を図解する。例では、シーリングアセンブリ２６０は、弁アクチュエータ２６２およびダイヤフラム２６４を含む。実施例では、アクチュエータ２６２はエアアクチュエータであるが、いかなる適当な弁アクチュエータも使用してよい。弁アクチュエータ２６２は、アクチュエータ筐体２６８内で軸方向に移動し、弁室２５２でダイヤフラム２６４を動作させるアクチュエータピストン２６６を含む。図解されるダイヤフラム２６４は、弁流入口路２５４と第二の濃度センサ流入口路２１６との流体連通を開閉するために流入口路２５４を開閉する、ステムチップ２７０を含む。シーリングアセンブリ２６０として使用するよう構成されてよい弁配列、および弁空洞の構成のさらなる詳細は、Ｂｒｏｗｎｅらにより米国特許第６，３９４，４１７号に開示されるが、これはこの参照により全体として開示に含まれる。図２２〜２５の例ではマニホールドと一体化している流入口弁２０４および２０８は、流体を選択的に第一および第二の流入口路２１４および２１６へと流す。図２４を参照すると、流体濃度センサ２１０は、第一および第二のセンサ空洞２４２と流体連通するよう位置付けられる。濃度センサは、空洞２４０および２４４に対し同様に配置される。図２５を参照すると、第一および第二の流体は、第一および第二の流入口路２１４および２１６から第一および第二のセンサ空洞２４０および２４２内へと流れ、流体濃度センサ２０６および２１０が第一および第二の流体の濃度を測定する。第一および第二の流体は、第一および第二のセンサ空洞２４０および２４２から混合空洞２２０へと流れ、流体が混合される。図解される実施例では、別個の混合および第三のセンサ空洞２２０および２４４が含まれる。一つの実施例では、第三のセンサ空洞２４４は混合空洞としての役割を果たし、空洞２２０は省かれる。第三のセンサ空洞２４４において、一つ以上の流体濃度が、混合流体センサ２１２により測定される。

典型的な実施例では、センサ２０６、２１０、および２１２は、制御装置２３０と連通するよう設計される。センサは測定情報を制御装置に中継し、制御装置は測定情報を処理し、弁２０４および２０８に制御命令を出す。図１７〜２５に図解される例は、二つの流体の混和を制御する混和システム２００を示す。混和システム２００は、任意の数の流体の混和を制御するよう拡張できる。

マニホールド部材は、さまざまな異なる材料から作られてよい。混和システムを適用するために、マニホールド部材が作られる材料を選択してよい。一つの実施例では、マニホールド部材２０２は、ＳＣ１（過酸化水素／アンモニア水浴）およびＳＣ２（過酸化水素／塩化水素水浴）など、半導体産業で使用される洗浄溶液に接触した時に実質的に不活性な材料から作られる。半導体産業で使用される多種の洗浄溶液に接触した時に実質的に不活性な材料の例としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）（Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））あるいはＰＦＡ（Ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｏｘｙ）が挙げられるが、これらに限定されない。典型的な実施例では、マニホールド部材は単一ブロックあるいは単一片の材料から作られる。

本発明の別の典型的な実施例では、流体濃度感知配列は、屈折媒質として使用される流体の光学特性を検知するよう構成されてよい。かかる適用の一例としては、例えば脱イオン水などの液体屈折媒質を光学リソグラフィシステムの屈折レンズとシリコンウエハとの間に使用し、光学リソグラフィシステムによって生成されるレーザなどの放射光によってエッチングする方法が挙げられる。ＩＣＫｎｏｗｌｅｄｇｅ．ｃｏｍのＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢａｃｋｇｒｏｕｎｄｅｒ：ＩｍｍｅｒｓｉｏｎＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙにさらに詳細が記される、液浸リソグラフィの開発、あるいは光学リソグラフィシステムにおける液体屈折媒質の使用は、屈折媒質の屈折率を増加させることにより、半導体ウエハ上に印刷あるいはエッチングされる形状の解像度を向上させる取り組みによりもたらされてきた。かかる適用では、屈折媒質中の混入物質あるいは不純物の存在は、レーザエッチング作業を妨げ、ウエハ上にエッチングされる形状のエラーや不一致をもたらす。

図２６は、液浸リソグラフィにおいて光学センサ３１２を使用して浸液３０５の光学特性を感知する実施例を図解する。図２６は、液浸リソグラフィ配列２９９の例を概略的に図解する。ただし、センサ３１２を液浸リソグラフィ配列において使用し、浸液３０５の光学特性を判断することができる。液浸リソグラフィ配列の例は、ＩＣＫｎｏｗｌｅｄｇｅ．ｃｏｍ「Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｅｒ：ＩｍｍｅｒｓｉｏｎＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」（２００３）、およびＳｗｉｔｃｋｅｓらによるＭｉｃｒｏＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＷｏｒｌｄ４ページ「ＩｍｍｅｒｓｉｏｎＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：Ｂｅｙｏｎｄｔｈｅ６５ｎｍｎｏｄｅｗｉｔｈｏｐｔｉｃｓ」（２００３年５月）に開示される。図２６に図解される例では、半導体ウエハなどのウエハあるいは基板３００は、脱イオン水などの液体３０５に浸漬される。光学リソグラフィ暴露源３０８のエッチングレンズ３０７は、基板３００の表面３０１から距離をおいて屈折液３０５に浸され、あるいは接触させられ、図解される実施例でエッチングされる。暴露源は、クリプトンフッ素エキシマレーザなどのレーザを照射し、基板表面３０１をエッチングするよう構成される。同様に光学センサ３１２は、図解される実施例において、基板表面３０１から距離をおいて屈折流体３０５に浸される。センサは、液体の光学特性を感知できる限り、レンズおよび基板に対しどの位置にも設置できる。光学センサ３１２を使用して、流体の純度あるいは混入物質の存在に関する液体３０５の光学特性を検知してよい。一つの実施例では、光学センサ３１２は、上記実施例に記される屈折率センサ１２を含むがこれに限定されない、屈折率センサである。センサ３１２は、上記実施例に記される屈折率感知配列１０のうちいずれかなどの屈折率感知配列の部分を形成する。屈折率センサは、液体中の混入物質あるいは不純物の蓄積によって発生する液体３０５の屈折率の経時的変化を検知するよう構成されてよい。屈折率センサは、検知した流体３０５の屈折率を所定の限界値と比較し、それにより、屈折流体の不純物により基板３００が不適当にエッチングされる前に、屈折流体３０５を浄化あるいは交換する必要を通告してよい。

図２６に図解される配列は、半導体基板のエッチング方法で使用してよい。この方法では、基板３００は液体３０５に浸漬される。放射光が液体を通して照射され、基板表面をエッチングする。屈折流体中の不純物の存在に関する液体の光学特性が測定される。測定された光学特性は、液体中の混入物質の限界量に関連する所定の限界値と比較される。所定の限界値に達すると、混入物質の限界量に達したことを示す信号が提供される。

上述の実施例は、本発明の側面を表し、例として示されるが、本発明の側面の実施についての包括的な説明ではないことは明らかである。

本発明のさまざまな側面は、典型的な実施例において組み合わせで具体化され、本文書に記述あるいは図解されるが、これらさまざまな側面は、個々に、あるいはその各種組み合わせまたは組み合わせの構成要素で、多数の代替実施例において実施されてよい。ここで明確に除外されない限り、かかる組み合わせおよび組み合わせの構成要素は、本発明の要旨の範囲内であると意図される。さらに、代替材料、構成、構造、方法、装置、ソフトウェア、ハードウェア、制御論理など、本発明のさまざまな側面および特長に関するさまざまな代替実施例がここに記述されるが、かかる記述は、現在知られているか今後開発されるかに関わらず、可能な代替実施例の完全あるいは包括的な一覧ではない。当業者は、本発明の要旨の範囲内で、本発明の側面、概念、あるいは特長のうち一つ以上を、ここに明確に開示されないさらなる実施例にも容易に採用してよい。さらに、本発明の特長、概念、あるいは側面が、好ましい配列あるいは方法としてここに記述されるが、かかる記述は、明確にそう定められない限り、かかる特長が要求されるあるいは必要であることを意図しない。さらに、本発明への理解を容易にするために、典型的あるいは代表的な値および範囲が含まれるが、かかる値および範囲は、限定的な意味で解釈されず、明確にそう定められる場合のみ、重大な値あるいは範囲であることを意図する。

図１は、流体濃度感知配列の透視図である。図２は、図１においてライン２−２に示される平面に沿って切断した断面図である。図３は、流体濃度感知配列の分解透視図である。図４は、流体濃度感知配列の透視図である。図５は、図４においてライン５−５に示される平面に沿って切断した断面図である。図５Ａは、図５Ａの拡大部分である。図６は、流体濃度感知配列の分解透視図である。図７は、流体濃度感知配列の流動部材を通る流体流動の図である。図８は、流体濃度感知配列の流動部材を通る流体流動の図である。図９は、流体濃度感知配列の透視図である。図１０は、流体濃度感知配列の立面図である。図１１は、流体濃度感知配列の立面図である。図１２は、図１０においてライン１２−１２に示される平面に沿って切断した断面図である。図１３は、図１１においてライン１３−１３に示される平面に沿って切断した断面図である。図１４は、流体濃度感知配列と付随する導管の立面図である。図１５は、流体濃度感知配列と付随する導管の立面図である。図１６は、流体混合システムの概略図である。図１７は、流体混合システムの平面図である。図１８は、図１７におけるライン１８−１８に沿って切断した図である。図１９は、図１８におけるライン１９−１９に沿って切断した図である。図２０は、図１９においてライン２０−２０に示される平面に沿って切断した断面図である。図２１は、図１７に図解される流体混合システムの流動経路の概略図である。図２２は、流体混合システムの平面図である。図２３は、図２２においてライン２３−２３に示される平面に沿って切断した、図２２に示す弁の断面図である。図２４は、図２２においてライン２４−２４に示される平面に沿って切断した、図２２に示す流体濃度感知配列の断面図である。図２５は、図２２によって図解される流体混合システムの流動経路の概略図である。図２６は、流体純度感知配列の概略図である。

Claims

ａ）流入開口、流出開口、および前記流入開口と前記流出開口との間に配置された空洞を有する流動部材と、
ｂ）感知面が前記空洞と連通するように、前記流動部材に組み付けられた流体濃度センサであって、前記空洞は、流体が常に前記感知面と接触しているように、流体流動を前記感知面に当たる方向に向ける流体濃度センサと
を備える、流体濃度感知配列。
ａ）流入開口、流出開口、および前記流入開口と前記流出開口との間に配置された、略椀状空洞を有する流動部材と、
ｂ）感知面が前記椀状空洞と連通するように、前記流動部材に組み付けられた流体濃度センサであって、前記椀状空洞は、流体流動を前記感知面に向ける流体濃度センサと、
を備える、流体濃度感知配列。
前記略椀状空洞は、前記感知面における５ミリメートルの範囲内での前記流体の最高速度が毎秒１０フィート未満となるように、前記流体流動を方向付ける、請求項１に記載の流体濃度感知配列。
前記略椀状空洞は、前記流入口における圧力が１００ｌｂｆ／ｉｎ^２未満のときに、前記感知面における５ミリメートルの範囲内での前記流体の最高速度が毎秒１０フィート未満となるように、前記流体流動を方向付ける、請求項１に記載の流体濃度感知配列。
前記略椀状空洞が、流体流動を、前記感知面を横断する方向に向ける、請求項１に記載の流体濃度感知配列。
ａ）流入開口、流出開口、および前記流入開口と前記流出開口との間に配置された空洞を有する流動部材と、
ｂ）感知面が前記空洞と連通するように、前記流動部材に組み付けられた流体濃度センサであって、前記空洞は、前記感知面における５ミリメートルの範囲内での前記流体の最高速度が毎秒１０フィート未満となるように、流体流動を前記感知面に対して横断する方向に向ける、流体濃度センサと
を備える、流体濃度感知配列。
前記略椀状空洞が、前記流入口における圧力が１００ｌｂｆ／ｉｎ^２未満のときに、前記感知面における５ミリメートルの範囲内での前記流体の最高速度が毎秒１０フィート未満となるように、前記流体流動を方向付ける、請求項６に記載の流体濃度感知配列。
ａ）略椀状面を備える流体流動を流体濃度センサの感知面に向けるステップと、
ｂ）前記椀状面により前記感知面に向けられた前記流体の濃度を、前記流体濃度センサにより測定するステップと
を含む、流体濃度の測定方法。
前記感知面付近での前記流体の最高速度が毎秒１０フィート未満である、請求項８に記載の方法。
前記感知面における５ミリメートルの範囲内での前記流体の最高速度が毎秒１０フィート未満である、請求項８に記載の方法。
前記流入口における圧力が１００ｌｂｆ／ｉｎ^２未満のときに、前記感知面における５ミリメートルの範囲内での前記流体の最高速度が毎秒１０フィート未満である、請求項８に記載の方法。
前記略椀状面が、流体流動を、前記感知面を横断する方向に向ける、請求項８に記載の方法。
ａ）流体濃度センサの感知面方向に、前記感知面に対して横断する方向で流体流動を向けるステップであって、前記感知面における５ミリメートルの範囲内での流体の最高速度が毎秒１０フィート未満である、ステップと、
ｂ）前記感知面に向けられた前記流体の濃度を、流体濃度センサにより測定するステップと
を含む、流体濃度の測定方法。
前記流入口における圧力が１００ｌｂｆ／ｉｎ^２未満のときに、前記感知面における５ミリメートルの範囲内での前記流体の最高速度が毎秒１０フィート未満である、請求項８に記載の方法。
ａ）流入開口、流出開口、および前記流入開口と前記流出開口との間に配置された空洞を有する、少なくとも部分的に半透明の材料から作られる流動部材と、
ｂ）感知面が前記空洞と連通するように、前記流動部材に組み付けられる流体濃度センサと、
ｃ）前記空洞への光の侵入を阻止するよう位置付けられる不透明材料と
を備える、流体濃度感知配列。
前記不透明材料が前記流動部材に適用される、請求項１５に記載の流体濃度感知配列。
少なくとも部分的に半透明の材料から作られる導管が、前記流入開口と連結され、前記不透明材料が前記導管に適用される、請求項１５に記載の流体濃度感知配列。
前記流体濃度センサを覆うボンネットをさらに備え、前記不透明材料が前記ボンネットに適用される、請求項１５に記載の流体濃度感知配列。
前記ボンネットが、前記流動部材を少なくとも部分的に囲む不透明材料を有するシュラウド部分を含む、請求項１８に記載の流体濃度感知配列。
前記不透明材料が、前記流入開口に連結される不透明導管を含む、請求項１５に記載の流体濃度感知配列。
ａ）少なくとも部分的に半透明の材料を通って、流体濃度センサの感知範囲に達する流体流動を提供するステップと、
ｂ）周辺光が前記少なくとも部分的に半透明の材料を透過して、前記感知範囲に侵入するのを阻止するステップと、
ｃ）前記感知範囲において、前記流体の濃度を測定するステップと
を含む、流体濃度の測定方法。
ａ）マニホールド部材であって、
ｉ）第一の流体流入口路と、
ｉｉ）第二の流体流入口路と、
ｉｉｉ）混合流体流出口路と、
ｉｖ）前記第一の流体流入口路、前記第二の流体流入口路、および前記混合流体流出口路と流体連通する混合空洞と、
を定めるマニホールド部材と、
ｂ）前記マニホールド部材に組み付けられた、第一の流体が前記第一の流体流入口路に流れるのを制御するための第一の流体制御弁と、
ｃ）前記マニホールド部材に組み付けられた、前記第一の流体流入口路を通って流れる前記第一の流体の濃度を測定するための第一の流体濃度センサと、
ｄ）前記マニホールド部材に組み付けられた、第二の流体が前記第二の流体流入口路に流れるのを制御するための第二の流体制御弁と、
ｅ）前記マニホールド部材に組み付けられた、前記第二の流体流入口路を通って流れる前記第二の流体の濃度を測定するための第二の流体濃度センサと、
ｆ）前記マニホールド部材に組み付けられた、前記混合空洞で混合された流体の濃度を測定するための混合流体濃度センサと
を備える、流体混合システム。
前記第一の流体制御弁、前記第二の流体制御弁、前記第一の流体濃度センサ、前記第二の流体濃度センサ、および前記混合流体濃度センサと連通する制御装置をさらに備え、前記制御装置は、前記第一の流体濃度センサおよび前記第二の流体濃度センサにより提供される濃度信号に基づき、前記第一の流体制御弁および前記第二の流体制御弁を操作する、請求項２２に記載の流体混合システム。
前記第一の流体制御弁、前記第二の流体制御弁、前記第一の流体濃度センサ、前記第二の流体濃度センサ、および前記混合流体濃度センサと連通する制御装置をさらに備え、前記制御装置は、前記第一の流体濃度センサ、前記第二の流体濃度センサ、および前記混合流体濃度センサにより提供される濃度信号に基づき、前記第一の流体制御弁および前記第二の流体制御弁を操作する、請求項２２に記載の流体混合システム。
前記マニホールドが単一ブロックの材料から構成される、請求項２２に記載の流体混合システム。
前記マニホールドが単一ブロックの材料から構成され、前記第一の流体制御弁の弁口が前記ブロックに定められる、請求項２２に記載の流体混合システム。
前記マニホールドが単一ブロックの材料から構成され、前記第一の流体制御弁が、前記ブロックに定められる流路を有するダイヤフラム弁である、請求項２２に記載の流体混合システム。
前記第一の流体が過酸化水素とアンモニアの溶液であり、前記第二の流体が過酸化水素と塩化水素の溶液であり、前記マニホールドは、前記第一および第二の流体に接触した場合に実質的に化学的に不活性な材料から作られる、請求項２２に記載の流体混合システム。
前記第一の流体濃度センサ、前記第二の流体濃度センサ、および前記混合流体濃度センサが、光学流体濃度センサである、請求項２２に記載の流体混合システム。
前記第一の流体濃度センサ、前記第二の流体濃度センサ、および前記混合流体濃度センサが、屈折率を測定して流体濃度を判断する、請求項２２に記載の流体混合システム。
ａ）第一の流体の濃度を測定するステップと、
ｂ）第二の流体の濃度を測定ステップと、
ｃ）前記第一および第二の流体を混合するステップと、
ｄ）前記第一および第二の流体の混合物の濃度を測定するステップと、
ｅ）前記第一の流体、前記第二の流体、および前記混合物の濃度に基づき、前記第一および第二の流体が混合するよう流れを制御するステップと
を含む、流体を混和するための方法。
前記第一および第二の流体が気体である、請求項３１に記載の方法。
各流体の光学特性を測定することにより、前記流体の濃度が測定される、請求項３１に記載の方法。
各流体の屈折率を測定することにより、前記流体の濃度が測定される、請求項３１に記載の方法。
前記第一の流体がＳＣ１であり、前記第二の流体がＳＣ２である、請求項３１に記載の方法。
ａ）流入開口、流出開口、および前記流入開口と前記流出開口との間に配置された空洞を有する流動部材と、
ｂ）前記流動部材に組み付けられた流体濃度センサと、
ｃ）前記空洞と連通するように、前記流体濃度センサに固定された結晶窓と
を備える、流体濃度感知配列。
前記結晶窓が前記流体濃度センサに接着されている、請求項３６に記載の流体濃度感知配列。
前記結晶窓が、紫外線硬化性シーラントで前記流体濃度センサに固定されている、請求項３６に記載の流体濃度感知配列。
前記結晶窓がサファイアを含む、請求項３６に記載の流体濃度感知配列。
ａ）流体濃度センサをサファイア窓に固定するステップと、
ｂ）前記流体濃度センサおよびサファイア窓を、前記サファイア窓が前記椀状空洞と連通するように、流入開口、流出開口、および前記流入開口と前記流出開口との間に配置された略椀状空洞を有する流動部材に固定するステップと
を含む、流体濃度感知配列の組み立て方法。
液体と、
前記液体に浸漬された基板と、
前記液体に浸漬され、前記基板にパターンをエッチングするよう配列された光学リソグラフィ・エッチング・レンズと、
前記液体に浸漬され、前記液体の特性を検知する光学センサと
を備える、液浸リソグラフィ・エッチング配列。
前記光学センサが屈折率センサである、請求項４２に記載のエッチング配列。
前記光学センサが、前記流体の不純物を検知するよう構成されている、請求項４２に記載のエッチング配列。
基板を液体に浸漬するステップと、
前記液体を通して放射光を照射し、前記基板の表面をエッチングするステップと、
光学特性が前記屈折する流体中の前記不純物の存在に関する、前記液体の光学特性を検知するステップと、
前記光学特性を、前記液体中の混入の限界量に関連する所定の限界値と比較するステップと、
前記所定の限界値に達したとき、前記混入の限界量に達したことを示す信号を提供するステップと
を含む、半導体基板のエッチング方法。