用于溶氧傳感器中的組件壽命終止的檢測及信令的系統及方法
【專利摘要】如本文中揭示的實施例可包含：傳感器，其包含暴露于流體流動路徑的發光體。所述發光體可響應于通過激發光源的照明而發射光。可確定由所述發光體響應于照明而發射的光的量值。可確定此量值是否在基線量值的閾值內，且基于此確定來設置警報狀態。此警報狀態可指示所述發光體已達到生命末期狀態或另外應被更換。
【專利說明】用于溶氧傳感器中的組件壽命終止的檢測及信令的系統及方法
[0001 ] 相關申請案
[0002]本專利申請案根據35U.S.C.§119規定主張2014年3月20日申請的標題為“溶氧傳感器及發光物質的自動壽命終止檢測(Dissolved Oxygen Sensor And Auto-Detect EndOf Life Of Light-Emitting Substance)”的第61/955,966號美國臨時專利申請案的優先權的權益，所述美國臨時申請案的全部內容出于所有目的以引用的方式并入本文中。
技術領域
[0003]本發明大體上涉及氧傳感器。更特定來說，本發明涉及溶氧(DO)傳感器。甚至更明確來說，本發明涉及提供DO傳感器的組件的壽命終止的指示。
【背景技術】
[0004]氧傳感器是指測量現場或實驗室中的水溶液中的氧濃度的電子裝置。目前，最普遍類型的氧傳感器是電化學傳感器，例如用于測量氧濃度以確定大的水體的環境性質從而確保野生生物的合適環境條件的傳感器。這些電化學傳感器使用具有電極的探針以測量溶解于流體中的氧。更明確來說，陰極及陽極浸沒于電解質中。氧通過擴散而穿過可滲透膜進入探針，且在陰極處還原，從而產生可測量電流。電流與氧濃度之間的關系為線性關系且因此可依據所述電流及傳感器的校準設置確定濃度。
[0005]然而，在其它環境中需要氧傳感器。特定來說，在超高純度環境(例如由SEMIF57標準、食品與藥物處理中的Π)Α標準或類似標準定義的環境)中需要氧傳感器。此需求是出于各種原因而出現。舉例來說，在半導體制造處理中存在氧可增加工藝中所涉及的材料(例如，在鍍敷工藝中使用的銅)的腐蝕以及其它問題。
[0006]使電化學傳感器適于超高純度環境的嘗試已證明為幾乎不可能，這是因為重新利用將使用原本希望作為浸液探針以對河流、水流及湖泊中的溶氧含量進行取樣以確保野生生物的最小氧濃度水平的相對較大金屬探針(例如，不銹鋼或鋁)的電化學傳感器檢測用于半導體制造工藝、食品與藥物工藝或其它超高純度環境中所需的十億分之一(例如，19中的I份)氧濃度的任務極其困難。從產業角度來看，迄今此類嘗試都失敗了。
[0007]此失敗很大程度上恰恰歸因于電化學傳感器的本質。如上文論述，電化學傳感器使用必須被插入于所測量流體中的金屬探針(或金屬外殼)。這些金屬探針尖端(例如)在半導體制造工藝的工藝流體中的插入會污染其所插入的工藝流體，使得此類電化學傳感器的使用與其中利用所述傳感器的材料及工藝以及用于那些工藝的標準不兼容。因而，電化學傳感器無法與可在這些超高純度環境中利用的腐蝕性流體一起使用。換句話來說，此類電化學傳感器的材料與用于超高純度環境中的流體之間可能存在基本材料不兼容性，其妨礙了對定義那些環境的標準的遵守。
[0008]此外，流體中存在電化學傳感器的探針尖端會破壞流體的層流，從而攪動流體且導致流體流動路徑中的盲管段。這些破壞又可導致非所要的副作用，例如氣泡、或分配速率的變化等等，其不利地影響其中利用流體的工藝。使用這些電化學傳感器的其它問題包含下列事實:電化學傳感器可具有相對較大形狀因子且被不良設計而無法以有時用于超高純度環境中的高壓流率使用。因此，在許多情況中，此類電化學傳感器可能完全無法用于有時用于超高純度環境中的緊湊型設備中或可歸因于由不良內部密封導致的泄漏或腐蝕而經歷高的故障率。
[0009]氧傳感器的可維修性及費用也受到關注。明確來說，由氧傳感器使用的許多部分可為可消耗的，其中其組件功效可在組件的壽命期間減小或組件可另外具有有限壽命。然而，經常難以確定此類組件何時需要更換以便傳感器可繼續正確操作。因此，先前幾乎普遍選擇早在此類部分的使用壽命之前就按加速進度更換此類部分，以便確保傳感器的持續適當操作。此解決方案出于各種原因是有問題的:更換仍具有剩余使用壽命的部件的增加費用及由不得不停止使用傳感器的任何工藝導致的成本。然而，經常做出此選擇，這是因為具有不適當執行的傳感器的成本甚至更高(例如，由于工藝浪費等等)。
[0010]接著，期望可提供一種可提供關于其組件的更換的有用指示符的氧傳感器。

【發明內容】

[0011]為此，本文中揭示溶氧傳感器的實施例。如本文中揭示的實施例可包含安置于流體流動路徑中的開口中的光學透明材料窗，其中發光體被附接到所述窗暴露到所述流體流動路徑的側。激發光源經配置以照明所述發光體且光電二極管接收由所述發光體響應于照明而發射的光。可使用所述所接收到的光確定此光的量值，其中接著可使用所述量值確定由所述發光體發射的所述光的所述量值是否在基線量值的閾值內且基于此確定設置與所述發光體相關聯的警報狀態。可結合所述流體流動路徑中的流體中的溶氧濃度的測量確定此類警報狀態。
[0012]因此，結合此類傳感器的可維修性及費用目標，所述傳感器的實施例可在所述發光體可能需要更換時提供指示符。特定來說，在某些實施例中，可監測由所述發光體發射的光的所述量值以確定所述發光體是否應被更換。以此方式，可維持溶氧(DO)傳感器的精確運作，同時避免頻繁更換發光體的不必要費用。更明確來說，可相對于所述DO傳感器確定及存儲所述發光體的基線量值。此基線量值可為可經用戶確定及設置或可在校準過程期間確定的絕對值且可指示由所述發光體發射的最大光強度。在測量循環期間(其可為每一測量循環、在某些條件下執行的指定測量循環等等)，可確定由所述發光體發射的所述光的量值且將所述量值與此基線量值比較。如果在那個測量循環期間由所述發光體發射的所述光的所述確定量值不在所述基線量值的某一閾值內，那么可產生警報。此警報可將所述傳感器的所述發光體應被更換用信號發送給采用此類DO傳感器的(例如，工藝的)操作者且操作者可基于所述警報采取多種多樣的行動，其包含關閉工藝、更換發光體等等。
[0013]為增加此類傳感器的實施例的靈敏度或精確性，所述光學探針可分離某些功能性或組件以防止電光學串擾。特定來說，根據某些實施例，所述光學探針可包含安置于光學套筒內的光學載體。所述DO傳感器的所述激發光源可處于所述光學載體的一側上，而所述參考光源、光電二極管及經配置以將由發光體發射的光引導到所述光電二極管的光學接收載體可通過將這些組件放置于所述光學載體的另一側上或通過將其圍封于所述光學載體的各種腔室或孔徑中而與激發光分離。因此，所述光學載體(及其上的組件)與圍封所述光學載體的所述光學套筒的組合用于電氣地及光學地隔離所述傳感器的所述組件。
[0014]在結合下列描述及附圖考慮時將更好地了解及理解本發明的這些及其它方面。盡管下列描述指示本發明的各種實施例及其眾多特定細節，但其是以說明且非限制的方式給出。可在本發明的范圍內作出許多替換、修改、添加或重新布置，且本發明包含所有此類替換、修改、添加或重新布置。【附圖說明】
[0015]可通過結合附圖參考下列描述獲得對本發明及其優點的更完整理解，在圖式中相似的元件符號指示相似特征且其中:
[0016]圖1是溶氧(D0)傳感器的運行的一個實施例的圖解表示；[〇〇17]圖2是在半導體工藝中使用D0傳感器的圖解表示；[0〇18]圖3是D0傳感器的一個實施例的圖解表不；[〇〇19] 圖4A到4C是D0傳感器的圖解表示；
[0020]圖5是D0傳感器的一個實施例的部分的圖解表示；
[0021]圖6是與D0傳感器的實施例一起使用的光學探針的一個實施例的圖解表示；[〇〇22]圖7A到7C是與D0傳感器的實施例一起使用的光學套筒的一個實施例的圖解表示；
[0023]圖8是與D0傳感器的實施例一起使用的光學載體的一個實施例的圖解表示；
[0024]圖9是與D0傳感器的實施例一起使用的光學隔膜的一個實施例的圖解表示；
[0025]圖10A及10B是與D0傳感器的實施例一起使用的探針尖端的一個實施例的圖解表示；[〇〇26]圖11是用于控制D0傳感器的實施例的校準過程的一個實施例的流程圖；[〇〇27]圖12是用于控制D0傳感器的實施例的測量過程的一個實施例的流程圖；[〇〇28]圖13是用于控制D0傳感器的實施例的警報狀態確定過程的一個實施例的視圖的圖解表示。【具體實施方式】
[0029]參考在附圖中說明且在下列描述中詳細說明的非限制性實施例，更充分地解釋本發明及其各種特征及有利細節。省略對眾所周知的原料、處理技術、組件及設備的描述，以免不必要地使本發明的細節不清楚。然而，所屬領域的技術人員應理解，盡管詳細描述及特定實例揭示優選實施例，但其是僅通過說明的方式而非通過限制的方式給出。所屬領域的技術人員在閱讀本發明后將明白在基本發明性概念的范圍內的各種替換、修改、添加或重新布置。作為實例，應注意，如本文描述的實施例涉及一種溶氧傳感器，然而，其它實施例可同樣良好地用于測量其它化學品或元素的濃度，例如，通過使用響應于其它元素或分子(例如，二氧化碳)的發光體。
[0030]在深入研究關于氧傳感器的特定實施例的更多細節之前，給出對實施例的大體操作及其中可利用此類實施例的背景的概述是有益的。接著，首先參考圖1，說明光學溶氧 (D0)傳感器的實施例的基本操作。光學傳感器使用熒光光學技術進行氧濃度的光學測量。 明確來說，可利用化學薄膜，其具有取決于流體的氧濃度的熒光性質。不同于由電化學傳感器產生的可測量電流，光學傳感器的信號(熒光)與氧的比率可不為線性。當不存在氧時，熒光處于最大值。當伴隨氧分子(〇2)出現時，氧分子與薄膜碰撞且此淬滅光致發光。因此，靈敏度隨著氧濃度增加而減小。這被稱為光物理分子間減活化(淬滅)過程。分子間去活化是: 如果存在另一化學物種，那么可加速化學品在其激發狀態中的衰減速率。例如熒光及磷光的過程是可被淬滅的激發狀態過程的實例。
[0031]D0監測器100包含發光體110,發光體110與流動通過流體流動路徑114的流體112 (例如，液體或氣體)介接。舉例來說，D0傳感器100可包含含有流動路徑114的外殼或可另外通過(例如)物理耦合而與現有流體流動路徑介接或被附接到所述現有流體流動路徑。D0傳感器100可用于在流體112流動通過流動路徑114時使用發光體110測量存在于流體112中的氧濃度。
[0032]發光體110利用包含原子或原子團的熒光材料，當存在于例如化學化合物或有機化合物的物質中時，所述熒光材料增加物質發光(發冷光)的能力。如在圖1中展示，包括發光體材料110的發光(熒光)物質被粘合或另外接合到光學透明窗116(例如，高純度藍寶石襯底、金剛石、合成金剛石、硼硅酸鹽玻璃等等)，且與展現某一水平的溶氧的流體112接觸。 在一些實施例中，熒光材料是有機或無機薄膜(例如，高性能電阻式涂層，例如陶瓷涂層或類似物)，或可被涂覆有所述薄膜或可結合所述薄膜使用，所述薄膜不受強酸或強堿侵蝕的影響，但允許氧自由地擴散且與發光體110的熒光材料接觸，從而使得發光體110能夠與腐蝕性流體(例如在濕式蝕刻化學中使用的流體或類似物)一起使用。[〇〇33]在由例如LED (例如，紅色、綠色、藍色等等)的激發光源130激發后，發光體110的發光物質發冷光，所述冷光通過光學透明窗116被光學地引導到經定位以接收從發光體110發射的光的光檢測光電二極管140中。例如LED的參考光源120可發射光，所述光可由光電二極管140檢測以產生參考信號，可使用所述參考信號移除系統錯誤或延遲或允許鎖相檢測方法最小化噪聲且增加信噪比。
[0034]因此，在測量循環的激發部分期間，激發光源130可操作一段時間，且由光電二極管140接收由發光體110發射的光。光電二極管140基于此所接收到的光產生信號，且將此信號提供到傳感器電子器件150。傳感器電子器件150包含硬件(例如，數字信號處理器(DSP)、 微控制器、模/數轉換器等等)與軟件(例如，固件或類似物)的某一組合，所述組合經配置以基于從光電二極管140接收到的信號產生對應信號。在此情況中，傳感器電子器件150在激發部分期間，基于來自光電二極管140的信號而產生激發信號。舉例來說，此激發信號對應于如由發光體110響應于由激發光源130的照明而發射且通過光電二極管140接收的光的量值或相位，如上文提及，所述量值或相位是基于流體112中的氧濃度。
[0035]在測量循環的參考部分期間，參考光源120可操作一段時間且由光電二極管140接收由此參考光源120發射的光。光電二極管140基于從參考光源120接收到的此光產生信號， 且將此信號提供到傳感器電子器件150。傳感器電子器件150在測量循環的參考部分期間， 基于從光電二極管140接收到的信號產生參考信號。舉例來說，此參考信號對應于如由參考光源120發射且通過光電二極管140接收到的光的量值或相位。
[0036]傳感器電子器件150使用在測量循環的激發部分期間產生的激發信號產生指示流體112的氧濃度的測量的信號。明確來說，由發光體110發射的光的振幅或衰減時間可與流體112中的溶氧濃度具有相反及線性關系。因此，可使用激發信號導出當流體112中的溶氧與發光體110的焚光材料相互作用以淬滅或減少那種材料的焚光量時，對應于焚光的減少的衰減時間或衰減時間常數。
[0037]特定來說，在某些實施例中，可確定激發信號的相位。另外，舉例來說，可使用在測量循環的參考部分期間確定的參考信號(例如，參考信號的相位)確定傳感器電子器件150 中的延遲。可使用激發信號的相位在激發部分期間(例如，使用用于在激發部分期間操作激發光源130的信號)精確確定發光體110的熒光的衰減時間。在確定此衰減時間的過程中，可使用從參考信號確定的延遲來校正傳感器電子器件中的任何延遲。接著，可基于發光體110 的已知衰減時間常數與所確定的衰減時間之間的關系來確定流體中的氧濃度的測量。在一些實施例中，可使用溫度與氧濃度之間的已知關系，使用所測量的溫度值進一步調整此濃度測量。使用測量溫度值的濃度校正可允許大體上實時補償流體溫度瞬時或穩態改變。
[0038]如所描述，當氧從其基態上升到其激發狀態時淬滅發光體110的熒光。此淬滅過程可加速發光體110的衰減速率。因此，使用發光體的D0傳感器需要定期維護。目前最佳實踐涉及基于時間或操作故障替換發光體。然而，基于時間替換發光體可不必要地縮短發光體的使用壽命且基于操作故障替換發光體可具有風險或為昂貴的，尤其是當歸因于發光體衰減而無法操作的D0傳感器用于高精確度操作中時。其昂貴的原因尤其在于發光體110可被粘合到光學透明窗116且情況通常是發光體110與光學透明窗116被制造為單個單元。因此， 被更換的可能是包含窗116及發光體110的此單個單元。[〇〇39]另外，發光體110可取決于與D0傳感器100—起使用的流體112以不同速率衰減。換句話來說，具有更高氧濃度的流體可導致發光體110更快降級。因此，需要確定何時發光體 110應被更換以確保D0傳感器100的充分運作，同時減少與發光體110(且在許多情況中，以及窗116)相關聯的頻繁及不必要更換的費用。
[0040]為解決此問題，在一些實施例中，可確定發光體110衰減的測量。明確來說，在某些實施例中，傳感器電子器件150可確定激發信號的量值，所述量值可對應于來自發光體110 的發射強度且因此反映發光體110的衰減。接著，可將此量值和與發光體110相關聯的基線量值(例如，在D0傳感器的校準過程期間所確定的量值、例如設置值的絕對量值或其它)比較。接著，由傳感器電子器件150作出激發信號的量值是否在基線量值的某一閾值內的確定。如果激發信號不在基線量值的某一閾值(例如，50%、75%等等)內，那么可產生警報以告知用戶(例如，與操作D0傳感器的實體相關聯的操作者)可能需要更換發光體110。
[0041]現參考圖2,說明如本文中揭示的D0傳感器的操作環境的一個實施例的高級視圖。 此類操作環境可包含如所屬領域中已知的半導體制造所涉及的半導體工藝，例如濕式蝕亥IJ、光刻、鍍敷或清潔工藝。此處，半導體工藝200可包含工具或腔室(統稱為202)及流體流動路徑214,通過流體流動路徑214可將半導體工藝200中所需的一或多個流體提供到在工藝200中使用的工具或腔室202。由工藝控制器230控制半導體工藝200,工藝控制器230包含用于控制半導體工藝200的數字硬件232(例如，處理器、存儲裝置等等)及模塊234(控制例程、軟件等等)，例如，包含通過操作各種栗、閥、工具或腔室202等等以完成半導體工藝200。 [〇〇42]如上文論述，用于半導體工藝200中的流體中存在氧可極大地影響工藝200。因此， D0傳感器220的實施例可與流體流動路徑214介接或進入流體流動路徑214中以測量在半導體工藝200中所使用的流體(例如，鄰近D0傳感器220或包含于D0傳感器220中的流體流動路徑214的部分中的流體的樣本)中的氧濃度且將對應于那個氧濃度的濃度信號提供到工藝控制計算機230,工藝控制計算機230可將氧測量用作控制半導體工藝的變量(例如，可停止或更改工藝200、發送警示給半導體工藝200的操作者等等)。明確來說，在某些實施例中，DO 傳感器可將兩個值(例如，0與5伏特、4到20毫安等等)之間的模擬信號提供到工藝控制230 且工藝控制230可經校準或另外配置，使得其可從由DO傳感器220提供的信號確定氧濃度的測量的值。
[0043]另外，在一些實施例中，D0傳感器220可將對應于流動路徑214中的流體溫度(例如，由D0傳感器220測量的流體樣本的溫度)的信號及指示D0傳感器220的發光體是否需要更換的警報信號提供到工藝控制230。在一個實施例中，溫度信號可為可擴展的模擬信號 (例如，從0到5伏特、4到20毫安等等)，而警報信號可為二進制模擬信號(例如，0伏特可指示警報信號，其指示發光體需要更換，而5伏特可為“正常(0.k.)”信號)。應注意，提供到工藝控制230的信號類型可取決于半導體工藝200的操作者的期望或工藝控制230的能力，且D0 傳感器220的實施例可如期望那樣有效地利用模擬信號、數字信號或某一組合。[〇〇44] 如可想象，在此半導體工藝200中使用D0傳感器充滿復雜性。明確來說，如已論述， 在許多情況中，在半導體工藝200中利用的流體可為高腐蝕性的，而同時半導體工藝200本身可為高度易受污染的。因此，期望D0傳感器220耐受在此類惡劣環境中使用且抵抗由腐蝕性分子狀小化學品導致的降級，同時具有可由順應超高純度環境(例如，包含SEMI F57規范或類似規范所強制執行的環境)的非反應性塑料或聚合物材料(例如，全氟烷氧基聚合物 (PFA)、聚丙烯(PP)及聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)等等)制造的一些(例如，與流體接觸的部分)或所有部分。[〇〇45]除了這些關注點，關于D0傳感器在半導體工藝200中的使用的額外關注點是D0傳感器220本身的大小。在許多情況中，在此類半導體工藝200中使用較大D0傳感器并不可行 (例如，由于封裝或空間問題)。因此，可期望，與半導體工藝一起使用的D0傳感器可盡可能小，同時仍足夠精確以如在此類工藝中使用所需那樣檢測十億分之一或百萬分之一濃度。 因此，這些類型的D0傳感器的所要形狀因子及精確性可使D0傳感器的組件的封裝同樣十分重要。[〇〇46]圖3是D0傳感器的一個實施例的框圖，所述D0傳感器足夠小以被集成于大多數半導體工藝中，同時仍實現用于半導體工藝中的所要靈敏度等級。D0傳感器300包含可由(例如)塑料制成的外殼302。用于與(例如)工藝控制系統或類似物介接的連接器308將信號(例如，模擬或數字)提供到工藝控制系統。舉例來說，此連接器308可包含遵循RS-232協議的一或多個引腳或引腳輸出。[〇〇47] 在某些實施例中，外殼302可包含上部306及下部304。可使用(例如)墊圈將上部 306接合到下部304,使得D0傳感器防水(例如，符合IP67)。為有助于耐水性，在一些實施例中，外殼302內的組件還可為密閉式或例如此類。外殼302的下部304包含主體或耦合到所述主體，所述主體含有具有端口 362的流動路徑360，端口 362經布置以用于使流體進出流動路徑360。配件364將端口 362連接到其它組件，使得D0傳感器300可被(例如，直接)集成到(例如)半導體工藝或類似工藝的流體流動路徑中。[〇〇48]由于D0傳感器300可被集成到可包括具有不同直徑的流體流動路徑的多種多樣的工藝中，所以D0傳感器300的流動路徑360的實施例可經適當地定大小以被集成到此類流體路徑中，包含(例如)1/4〃、3/8〃、1/2〃、3/4〃及1〃直徑。另外，實施例可具有適用于其中利用 00傳感器300的特定應用的配件364，包含(例如奸1&代七61<:、？1'；
[1116]^〇^<:、附。。〇11?;[1131'(例如，S300)或另一類型的配件。[〇〇49] 流動路徑360包含開口，其上粘合有發光體310的光學透明窗316可通過所述開口暴露于流動路徑360中的流體，使得流動路徑360中的流體直接接觸發光體310。在某些實施例中，發光體310可涂覆有有機或無機薄膜，所述薄膜不受強酸或強堿侵蝕影響或耐受強酸或強堿侵蝕，但允許氧自由地擴散且與發光體310的熒光薄膜或材料接觸。可使用(例如)粘合劑或其它緊固件將溫度傳感器312(例如，熱敏電阻器、熱電偶或類似物)安裝到窗316且與流體流動路徑360相對。
[0050] 窗316可由光學透明電介質材料(例如，硼硅酸鹽玻璃、藍寶石、金剛石、涂覆金剛石的玻璃、石英、方解石、方晶鋯石等等)制成。由于藍寶石或金剛石的熱導率相對高(例如， 與硼硅酸鹽玻璃等等相比)，所以盡管傳感器312可駐留于流體的主流動路徑360外部，但某些實施例可將藍寶石或金剛石用于窗316以允許溫度傳感器312具有較大靈敏度。此外，由于藍寶石或金剛石的強度，所以極高的密封力可被施加到此窗316以允許氣密密封流體流動路徑360以與其它組件(例如，電子器件)隔開，使得D0傳感器300可適用于更高的壓力環境，從而甚至在可具有約80鎊每平方英寸(psi)的密封線路壓力的高壓環境中仍允許利用 D0傳感器300。舉例來說，可使用對酸性或堿性流體呈現惰性的高純度墊圈完成此類密封。 由于大部分工藝(例如，在半導體產業中)不利用高于60psi的線路壓力，所以此類實施例可有利地用于絕大多數此類工藝中。[〇〇511 外殼302含有光學探針350及主印刷電路板(PCB)352。光學探針350可與來自流動路徑360的窗316相對且以與窗316及發光體316成一角度而大體上與流動路徑360正切對準。在一些實施例中，可在垂直于窗316及流動路徑的軸上大體上對準光學探針350。光學探針350又包含具有光學探針尖端354的探針套筒340(光學探針尖端354可集成地形成到探針套筒340或與探針套筒340分離形成且附接到其)、光學接收引導件356、光學載體370、光學 PCB 372、參考LED 376、光電二極管374、激發PCB 380上的激發LED 378及光學發射引導件 358。探針套筒340與光學載體370組合使用可有效防止光從LED 376、378“滑動”(例如，光學串擾)，如將更詳細論述。[〇〇52] 激發LED 378使其自身的PCB 380與光學PCB 372分離以避免激發PCB 380上的激發組件與光學PCB 372上的組件(例如檢測組件)之間的光學或電串擾。在一個實施例中，為進一步減少光學或電串擾，激發PCB 380及光學PCB 372可被定位于光學載體370的相對側上且激發LED 378(例如，通過激發PCB 380)耦合到光學PCB 372且經配置以由光學PCB 372 上的電子組件390控制。在部分這些實施例中，光學載體370可為圓柱形狀，其中光學PCB 372及光電二極管374在光學載體370的一個半球上且激發PCB 380及激發LED 378在光學載體370的另一半球上。在某些實施例中，具有以此類方式配置的光學載體370可允許更緊湊封裝且仍可避免光學串擾及類似物，且獲得增加的性能，同時仍將各種組件(例如，激發PCB 380、光學PCB 372、光電二極管374、激發LED 378等等)定位成大體上彼此相對。[〇〇53] 類似地，接著在一個實施例中，光學PCB 372與主PCB 352分離且耦合到主PCB 352。明確來說，在一些實施例中，光學PCB 372處于探針套筒340內且主PCB 352處于探針套筒340的外部。主PCB 352可含有電子組件386,例如電壓調節、功率及模擬輸出組件，而光學 PCB 372可含有電子組件390,例如光電二極管前端、溫度傳感器前端、用于激發LED或參考 LED的LED前端、數/模轉換器(DAC或ADC)、數字信號處理器(DSP)、執行(例如)例如具有控制或計算模塊的固件的模塊的微控制器、或可包含例如校準數據或類似物的數據的存儲裝置 (例如，EEPROM)。但應注意，此處關于主PCB 352、激發PCB 380及光學PCB 372描繪的用于DO 傳感器300的所有組件可被包含于單個PCB(或兩個PCB等等)上，但是通過將這些類型的組件分離到單獨PCB上(且通過(例如)通過將光學PCB 372放置于套筒340中而進一步分離這些組件)，仍可防止來自主PCB 352上的組件的串擾影響光學PCB 372上的測量或其它電子組件390。[〇〇54] 探針尖端354可具有開口，光學接收引導件356及光學發射引導件358可經路由通過所述開口。光學接收引導件356可經配置以將光(例如，由發光體310發射)引導到光電二極管374。舉例來說，光學接收引導件356可為與光電二極管374對準(例如，在軸上)的單個圓柱形聚合物光纖。光學發射引導件358可經配置以將來自激發LED 378的光引導到探針尖端354中的開口以(例如)激發或以其它方式照明發光體310。舉例來說，光學發射引導件358 可為一或多個光纖的束(其可具有小于光學接收引導件356的直徑)。在一個實施例中，光學接收引導件356及光學發射引導件358可經路由通過探針尖端354中的相同開口，其中包括光學發射引導件的光纖束形成圍繞光學接收引導件356的圓周的照明環。[〇〇55] 光電二極管374可耦合到光學PCB 372,其中光學PCB 372的電子組件390可包含用于光電二極管的前端(例如，用于光電二極管374的陽極及陰極)。在一個實施例中，電子組件390可包含在光學PCB 372的一側上的用于光電二極管374的陽極(或用于其的連接)及在 PCB 372的另一側上的用于光電二極管374的陰極(或用于其的連接)。此布置可允許光電二極管374被安裝于軸上緊密接近光學PCB 372以減小光學PCB 372及光電二極管374的組合的總長度。因此，在一些實施例中，可在相同軸上大體上對準光電二極管374及PCB 372，其中那個軸可大體上為光學探針350本身對準的軸(例如，大體上垂直于窗316及流動路徑 360)。參考LED 376也可被安裝于光學PCB 372上，且在一個實施例中可被安裝于光電二極管374(其可為至少部分透明)背后以允許直接照明光電二極管374(例如，使得光電二極管 374可檢測從參考LED 376直接發射且尚未行進通過光學接收引導件356的光)。可由孔徑或由其它構件限制此類照明。
[0056]在某些實施例中，可利用一或多個濾光器或濾光器的組合以防止光學串擾且增加熒光檢測。所利用濾光器的數目及類型可取決于激發LED 378(例如，激發LED 378的顏色) 或發光體310的化學性質(例如，由發光體310發射的光的波長)。應注意，如在此處揭示的實施例中利用的LED的實施例可幾乎為任何所要顏色(例如，紅色、藍色、綠色等等)。舉例來說，在一些實施例中，發光體310可經選擇，使得其大體上以紅色波長輻射，且激發LED 378 可經選擇，使得其大體上以約525nm的綠色波長及約800毫坎德拉(mcd)的發光強度輻射。在此類實施例中，可在激發LED 378之前部利用綠色濾光器以確保光學發射引導件358僅引導所要綠色波長以激發發光體310。類似地，可在光學接收引導件356與光電二極管374之間利用紅色濾光器以確保光電二極管374僅接收由發光體310發射的紅光(例如，通過光學接收引導件356)。
[0057]接著，在某些實施例的操作中，電子組件390(例如在控制器上執行的控制模塊)可執行測量循環。在某些實施例中，舉例來說，測量循環可為大約1秒。在一個實施例中，測量循環包含兩部分:激發部分及參考部分，其中在一些實施例中，每一部分可為約測量循環的一半。應明白，測量循環可為更長或更短、可包括僅一個部分(例如，激發部分)或具有不同大小的部分等等。
[0058]在測量循環的激發部分期間，電子組件390可控制激發LED 378,且確定對應于響應于由激發LED 378進行的照明而由發光體310(與流動路徑360中的流體接觸)發射的光的相位或量值的激發信號。明確來說，在激發部分期間，電子組件390可以特定頻率操作激發 LED 378，在一個實施例中所述頻率可為約16KHz。每當在激發部分期間操作(例如，照明)激發LED 378時，通過光學發射引導件358將由激發LED 378發射的光從激發LED 378引導通過探針尖端354中的開口，其中所述光通過光學透明窗316照明發光體310。響應于此照明，發光體310發射光且基于流動路徑360中的流體中的氧的存在而被淬滅。由發光體310發射的光通過窗316且在光學接收引導件356處被接收，在光學接收引導件356中，所述光被引導到光電二極管374,光電二極管374響應于此所接收到的光而產生信號。[〇〇59]由電子組件390接收此信號，電子組件390基于來自光電二極管374的信號而產生激發信號。舉例來說，此激發信號對應于如由發光體310發射且通過光電二極管374接收到的光的量值或相位。在此類實施例中，可使用每當在測量循環的激發部分期間操作激發LED 378時所產生的激發信號來確定最終激發信號。舉例來說，此最終激發信號可為每當在激發部分期間操作激發LED 378時所產生的激發信號的平均值。
[0060]另外，在一個實施例中，在激發部分期間，電子組件390可接收來自溫度傳感器312 的一或多個信號。可由電子組件390處理此所接收到的信號(例如，使用調制、峰值檢測器等等)以確定流動路徑360中的流體的溫度測量。應注意，可在測量循環期間的任何點確定溫度測量。
[0061]接著，在測量循環的參考部分期間，電子組件390可以某一頻率操作參考LED 376， 在一個實施例中所述頻率可與在測量部分中操作激發LED 378的頻率相同且可為約16KHz。 每當在參考部分期間操作(例如，照明)參考LED 376時，可由光電二極管374直接接收由參考LED 376發射的光(例如，通過接近光學PCB 372而安裝的光電二極管374的后部)，光電二極管374響應于此所接收到的光而產生信號。[〇〇62]由電子組件390接收此信號，電子組件390基于來自光電二極管374的信號產生參考信號。舉例來說，此參考信號對應于如由參考LED 376發射且通過光電二極管374接收到的光的量值或相位。在此類實施例中，可使用每當在測量循環的參考部分期間操作參考LED 376時所產生的參考信號確定最終參考信號。舉例來說，此最終參考信號可為每當在參考部分期間操作參考LED 376時所產生的參考信號的平均值。
[0063]接著，電子組件390使用在測量循環的激發部分期間產生的激發信號以產生指示流動路徑360中的流體的氧濃度的測量的信號。明確來說，由發光體310發射的光的衰減時間可與流體中的溶氧濃度具有相反及線性關系。因此，可使用激發信號導出對應于當流體中的溶氧與發光體310的熒光材料相互作用以淬滅或減少那種材料的熒光量時熒光的減少的衰減時間或衰減時間常數。[〇〇64]特定來說，在某些實施例中，可確定激發信號的相位。另外，可使用在測量循環的參考部分期間確定的參考信號(例如，參考信號的相位)考慮傳感器電子器件(例如，光學 PCB 372上的傳感器電子器件)中的延遲。由于電子組件390負責產生用于調制參考LED 376 的信號(例如，以16KHz)且當在光電二極管374處接收到來自參考LED 376的光時從光電二極管374接收信號，所以激發信號的相位與參考信號的相位之間的差異與D0傳感器300的電子(且可能其它)組件390中的延遲或溫度靈敏度等等相關聯。因此，可使用參考信號(例如， 參考信號的相位)調整激發信號以移除歸因于(例如)電子組件390中的延遲或溫度靈敏度或類似物的激發信號中的任何相移。可使用激發信號的校正相位在激發部分期間精確確定發光體310的熒光的衰減時間(例如，通過確定在測量循環的激發部分期間的調制信號與激發信號(例如，最終激發信號)之間的相位差)。接著，可基于發光體310的已知衰減時間常數與所確定衰減時間之間的關系確定流體中的氧濃度的測量。舉例來說，可使用傳感器的如存儲于電子組件390中(例如，EEPROM或類似物中)的校準數據確定此測量。
[0065]在一些實施例中，可進一步使用在激發部分期間所確定的溫度值或另外在測量循環期間使用溫度與液體中的氧濃度之間的已知關系調整此濃度測量。使用測量溫度值的校正可允許大體上實時補償流體溫度瞬時或穩態改變。可使用存儲于電子組件390中(例如， EEPROM或類似物中)的溫度校準數據補償測量，其中校準數據包含在不存在氧時(例如，在純氮時)的一個溫度及在大氣下獲得的零點校準數據。[〇〇66]另外，電子組件390可在測量循環期間確定指示發光體310的狀態的警報狀態。此處，電子組件390中的校準數據可包含發光體310的焚光的標稱量值。可在D0傳感器300的校準期間(例如，當在存在大氣的情況下校準D0傳感器300時)確定此標稱量值，此標稱量值可為所述量值所要的絕對值或可另外確定。電子組件390可將在激發部分期間產生的激發信號的量值與在校準期間確定的熒光的標稱量值比較且確定激發信號的量值是處于校準期間所確定的標稱量值的某一閾值(例如，50 %、20 %等等)內還是外。舉例來說，此閾值可在校準期間可被用戶配置。如果激發信號的量值在標稱量值的某一閾值外，那么可設置指示發光體310需要更換的警報標志。應注意，在一些實例中，可并非在每一測量循環確定警報狀態，或可僅當由工藝控制器或類似物指定時確定警報狀態。[〇〇67]接著，電子組件390可將指示氧濃度的測量、溫度或警報狀態的信號提供到主PCB 352。主PCB 352的電子組件388又通過連接器308提供氧濃度、溫度或警報狀態的對應信號 (其可為相同格式，例如模擬或數字;或可為不同格式，其按不同比例調整等等)。[〇〇68]圖4A到4C描繪例如上文描述的實施例的D0傳感器的一個實施例的分解圖。應明白，通過實例提供所描繪組件，其它實施例可或可不使用所描繪的每一組件，或可使用更少組件，可組合組件的功能性等等。D0傳感器400包含可由塑料或類似物制成的上部外殼402 及可由與上部外殼402相同或類似的材料制成的下部外殼406。可在上部外殼402與下部外殼406之間使用墊圈404,可使用螺釘及墊片或類似物將上部外殼402與下部外殼406接合在一起。另外，可將連接器410(例如Turck 12引腳連接器或類似物)接合到上部外殼402。主 PCB 452可至少部分駐留于上部外殼402中，使得導線可從主PCB 452穿過上部外殼402延伸到連接器410。[〇〇69] 含有如上文描述的流體流動路徑的流動路徑主體408可由PTFE或類似SEMI 57順應材料制成，且可具有使用(例如)螺釘432及墊片接合到主體408的底部的安裝板412。流動路徑主體408的頂部可具有到流動路徑主體408內的流動路徑的開口 414。
[0070] 光學探針440可被至少部分固定于下部外殼406中，且下部外殼406被接合到流動路徑主體408,使得光學探針440的尖端與密封于到流動路徑主體408內的流動路徑的開口 414中的光學窗426相距工作距離。此工作距離可為光學探針的尖端與光學窗426之間的氣隙，以允許通過光學探針440的尖端來接收行進通過光學窗的光。在一個實施例中，舉例來說，此類工作距離可為約.045〃。明確來說，可使用〇型環420、發光體424、窗426(例如，藍寶石或類似物)、可由PVDF或類似物制成的固定器428及固定器螺母430以及可由Viton或類似物制成的〇型環442將下部外殼406接合到流動路徑主體408。[〇〇71]在一個實施例中，流動路徑主體408可具有圍繞到流動路徑的開口 414的凸緣，所述凸緣經配置以容納環形〇型環420。發光體424可被粘合到窗426,且所述組合利用固定器 428及固定器螺母430密封，使得發光體424將與流動路徑主體408的流動路徑中的流體接觸。在一個實施例中，流動路徑主體408接近開口 414的圓周及固定器螺母430兩者可被螺合，使得可通過將固定器螺母430擰緊或轉動到所要壓力來將所要密封力施加到窗426。 [〇〇72]固定器428及固定器螺母430兩者都可為環形，使得光學探針440的尖端可與光學透明窗426相距所要工作距離而放置。在一些實施例中，固定器428可具有小于固定器螺母 430的內圓周，使得固定器428可提供支架，光學探針440的尖端的部分可固定于所述支架上或以其它方式接觸所述支架。可使用〇型環442將外殼的下主體406密封到流動路徑主體 408。明確來說，在某些實施例中，可使用將安裝板412緊固到流動路徑主體408的相同螺釘 432將下部外殼406接合到流動路徑主體408,使得可通過將螺釘432擰緊或轉動到所要值而將所要密封力施加于流動路徑主體408與下主體406之間的〇型環442上。換句話來說，在一些實施例中，流動路徑主體408可具有用于螺釘432的通孔，同時下部外殼406可具有用于接納螺釘432的螺紋孔。[〇〇73]固定器428及固定器螺母430與分離的窗426及發光體424的使用可具有關于維護或可維修性的許多優點。明確來說，如已論述，發光體424可隨著時間及暴露于流動通過流動路徑主體408的流動路徑的流體中的氧降級。實際上，此類流體中的氧濃度越大，降級速率越快。因此，情況通常為，每一年或兩年左右需要更換發光體426以確保D0傳感器的適當操作。
[0074]以往，更換此發光體存在至少兩個主要障礙。首先是很難確定應何時更換發光體。 如已論述且將進一步論述，如所揭示的D0傳感器的實施例可提供指示應何時更換發光體的警報信號。通過精確告知工藝的操作者何時需要更換發光體，可維持工藝的精確性且避免昂貴浪費。
[0075]另一主要障礙是發光體本身的可更換性。在許多情況中，發光體完全不可更換，這是因其被附接到D0傳感器的固定部分。此外，甚至在發光體可更換的情況中，仍無法以容易且簡單的方式完成發光體的更換。此處，固定器428及固定器螺母430與分離的窗426與發光體424的使用通過允許簡單地更換窗426或發光體424(在一個實施例中，其可作為單元更換或同時更換)，同時仍允許充足密封力置于窗中以防止流體泄漏且保持順應SEMI 57或IP 67，而允許DO傳感器的現場可維修性。特定來說，下部外殼406可簡單地與流動路徑主體408 分離且簡單地移除固定器螺母430(例如，使用扳手或類似物)以允許接觸到及更換窗426或發光體424(或如所提及，兩者作為一單元)。通過減少更換時間且允許D0傳感器的現場維修，顯著減少工藝停工時間。[〇〇76]現參考圖5,描繪在D0傳感器的實施例的下部外殼與流動路徑主體之間的接口的一個實施例的特寫橫截面圖。此外，應明白，通過實例提供所描繪的組件，其它實施例可或可不使用所描繪的每一組件，或可使用更少組件，可組合組件的功能性等等。特定來說，下部外殼550包含適于裝配于流動路徑主體510中的開口內的下部552(舉例來說，其可為圓形形狀)。此開口可具有唇緣560(其可為圍繞開口的環形)，使得下部外殼550的下部552及唇緣560適于彼此接觸。〇型環562可用于密封下部外殼的下部552與流動路徑主體510之間的接口。[〇〇77]流動路徑主體510含有流體流動路徑512,如上文描述。流體流動路徑512包含“T” (也被稱為碗狀物)514以允許流動路徑512中的流體暴露于流動路徑主體510中的開口 516。 516的圓周為約.25〃且深度為.2"。流動路徑主體510包含圍繞開口 516的環形通道556,其中通道的底部低于碗狀物514的頂部。〇型環518可駐留于通道516中，使得在未壓縮狀態中，〇 型環518的頂部可高于流動路徑主體512包括通道516的內壁的部分或與之齊平。發光體524 可被粘合到窗526且所述組合放置于開口 516中且利用固定器528及固定器螺母530密封，使得發光體524將與碗狀物514的開口 516中的流動路徑512中的流體接觸。明確來說，流動路徑主體510的內壁高于開口 516的部分如固定器螺母530的外圓周那樣被螺合。因此，可擰緊固定器螺母530以通過固定器528將所要密封力置于發光體524上。此密封力用于壓縮〇型環 518且提供氣密密封，使得液體(或其分子)無法逸出流體流動路徑512。[〇〇78]光學探針558的尖端536可為階狀，使得尖端的部分可具有不同圓周。尖端536的一個階狀部可接觸固定器528,使得階狀部駐留于與窗526相距工作距離處，而尖端536的另一階狀部可接觸固定器螺母530。在一個實施例中，尖端536包含用于壓縮器540(例如，由硅、 橡膠或類似物制成)的容器，使得壓縮器540可壓縮與流體流動路徑512相對地被粘合到窗 526的溫度傳感器542。尖端536也可具有一或多個孔(未展示)以用于將導線從溫度傳感器 542路由到光學探針558的電子組件。光學發射引導件及光學接收引導件的端可被路由通過尖端536中的開口。在一個實施例中，尖端中圍繞光學發射引導件或光學接收引導件的光學套筒可包含光學發射導引或光學接收引導件。
[0079]現參考圖6A到6C，描繪可用于例如上文描述的D0傳感器中的光學探針的一個實施例的分解圖。如同本文中描繪的其它實施例，應明白，通過實例提供所描繪的組件，其它實施例可或可不使用所描繪的每一組件，或可使用更少組件，可組合組件的功能性等等。光學探針600包含接合到探針尖端602的套筒680。光學載體604駐留于套筒680內。光學載體604 大體上為圓柱形。在光學載體604的一側或一個半球上存在適于接納包含激發LED的激發 PCB 642的凹口。舉例來說，可使用螺釘、粘合劑或另一緊固件將激發PCB 642固定到光學載體604。光學發射引導件644可被放置于光學發射套筒618內且被路由通過探針尖端602的中心中的大體上圓形開口。光學濾光器612(例如，如先前描述的綠色濾光器或類似物)可被固定到在激發PCB 642上的激發LED與光學套筒618之間的光學載體604。光學載體604的此側也可具有通道以用于將導線626從(例如)激發PCB 642路由到光學PCB 606或從溫度傳感器 (未展示)路由到光學PCB 606。光學載體604的此側的部分670可形成用作用于光學PCB 606 的分配器及安裝點的屏障。此部分670可為圍繞光學載體604的圓周的部分的壁。
[0080]光學載體604的另一側具有通過光學載體604的圓柱形孔徑，使得光學接收引導件 664被路由通過此圓柱形孔徑且通過探針尖端602的中心中的開口。在某些實施例中，光學接收引導件不在圓柱形孔內的部分可被圍封于光學套筒中。如上文論述，在一些實施例中， 光學發射引導件644及光學接收引導件664可被路由通過探針尖端602中的相同孔，其中光學發射引導件644環繞光學接收引導件664以形成照明環或類似物。舉例來說，光學接收引導件664可為具有2mm直徑的單個光纖，而光學發射引導件644可為具有.5mm直徑的束(例如，10到15個)光纖。
[0081] 通過將光電二極管610的陽極及陰極路由通過光學隔膜608中的一或多個孔而將光電二極管610安裝到包含參考LED的光學PCB 606。光學隔膜608也可包含孔，由光學PCB 606上的參考LED發射的光可通過所述孔直接照明光電二極管610。此類孔也可用于孔徑限制此類照明。光學PCB 606可被固定到光學載體604的部分670,使得光電二極管610可被定位于光學載體604的圓柱形孔中。在一個實施例中，熱鏡614的任一側上的濾光器616可被定位于在光電二極管610與光學接收引導件664遠離探針尖端602中的開口的遠端之間的圓柱形孔中。[〇〇82] 光學載體604(包含光學PCB 606、激發PCB 642及安裝于光學載體604上或以其它方式路由通過光學載體604的所有組件)可被放置于探針套筒680中，且可使用(例如)粘合劑或類似物將探針尖端602固定到探針套筒680的端。另外，用于壓縮溫度傳感器的壓縮器 676可被固定于探針尖端602中的容器中。[〇〇83]現參看如已論述的D0傳感器的實施例的某些組件的更多特定實施例可為有用的。 在圖7到10中描繪的組件的實施例可經合適地設置大小以裝配于具有約5.75〃的高度(例如，針對上部外殼、下部外殼及流動路徑主體的組合)及測量為約1.7 5 〃的外殼(例如，上部外殼及下部外殼)的D0傳感器(例如，上部外殼、下部外殼及流動路徑主體的組合)中。應明白，所有尺寸都為近似的且僅可應用于那個特定實施例。其它實施例可使用具有不同尺寸的相同組件，可不使用此類組件或可使用更少組件等等。[〇〇84] 考慮到這一點，圖7A到7C描繪與D0傳感器一起使用的光學探針的套筒的一個實施例，而圖8A到8H描繪與圖7A到7C的套筒一起使用的光學載體的一個實施例。此處注意，光學載體800包含腔室802,當光學PCB被固定到光學載體800的部分804時，安裝于所述光學PCB 上的光電二極管可駐留于所述腔室802中。在此類布置中，孔806可容納光學接收引導件或其部分，使得光學接收引導件遠離D0傳感器的窗的遠端可接近腔室802中的光電二極管。凹槽808可經設計以容納激發PCB，使得激發LED照明包含于孔徑810中的光學發射引導件。由于光學載體800的壁812將光學PCB、光電二極管及光學接收引導件與激發PCB、激發LED及光學發射引導件分離，所以光學載體800用于顯著減少在利用此類光學載體的D0傳感器中的光學串擾及電串擾兩者。[〇〇85]圖9描繪可在光電二極管與光學PCB之間利用的光學隔膜900的實施例。此處注意， 光學隔膜含有三個叉指902以用于固定光學PCB及三個通孔904。兩個通孔904a、904b可用于光電二極管的陽極及陰極的路由，使得陽極及陰極可被焊接或以其它方式附接到由叉指 902固定的光學PCB的相對側。第三通孔904c可允許安裝于光電二極管所焊接到的光學PCB 上的參考LED從后部照明光電二極管，且可另外提供對此類照明的限制。
[0086]圖10A及10B描繪探針尖端1000的一個實施例。此處注意，探針尖端1000具有通孔 1002,光學發射引導件及光學接收引導件可被路由通過通孔1002。探針尖端1000也可具有一或多個通孔1004,導線可從粘合到D0傳感器的窗的溫度傳感器被路由通過通孔1004。另夕卜，探針尖端1000可具有凹槽1006,其中壓縮器(例如，由橡膠或硅制成)可經定位以壓縮粘合到窗的溫度傳感器。
[0087]現論述校準或操作例如本文中描繪的D0傳感器的實施例的方法可有助于對如本文中描繪的實施例的理解。可使用如上文論述的D0傳感器的電子組件(例如，硬件、軟件或某一組合)執行此類方法。圖11描繪用于DO傳感器的校準的實施例。在步驟1110處，可執行零校準。在此類校準中，可在具有大體上零氧的環境中校準傳感器，例如，通過在純氮環境中校準DO傳感器。零點校準可在已知溫度值下完成且用于確定、調整或設置與此類環境中的傳感器相關聯的輸出值。[〇〇88]在步驟1120處，可執行100%校準。在此步驟中，可將溫度保持在已知溫度值且傳感器被暴露于大氣。在一些實施例中，D0傳感器可被暴露于大氣至少30分鐘以允許建立穩定氧水平。100%校準在已知溫度值下完成且用于確定、調整或設置與此類環境中的傳感器相關聯的輸出值。舉例來說，此類校準可允許使用在測量循環期間測量的溫度來基于溫度與氧濃度之間的關系補償或以其它方式調整氧濃度測量。[〇〇89]另外，在某些實施例中，在100 %校準期間，可確定用于D0傳感器的發光體的熒光值的量值。舉例來說，熒光值的此量值可為在校準過程期間從發光體接收到的光的強度的最大值或經由發光體的多個照明從發光體接收到的光的最大強度的平均值等等。可將熒光值的此量值存儲于D0傳感器中(例如，在EEPR0M或類似物中)。
[0090]在一個實施例中，也可在存在流體(D0傳感器將結合所述流體利用)的情況下校準 D0傳感器(例如，在半導體工藝中的裝置中等等)。因此，在一些實施例中，可通過在存在特定流體的情況下執行D0傳感器的校準來確定焚光值的量值，且關于那個特定工藝流體確定熒光值的量值。
[0091]圖12描繪用于如可由如本文中論述的D0傳感器的實施例執行那樣執行確定流動路徑中的流體的氧濃度的方法的實施例。測量循環可包含激發部分1210及參考部分1250。 在某些實施例中，測量循環可為(例如)大約1秒，其中在一些實施例中，每一部分可為約測量循環的一半。應明白，測量循環可為更長或更短、可包括僅一個部分(例如，激發部分)或具有不同大小的部分等等。
[0092]在測量循環的激發部分1210期間，在步驟1212處操作激發LED。在一個實施例中， 以某一頻率操作激發LED(例如，接通及斷開或脈沖調整)，所述某一頻率在一個實施例中可為約16KHz。每當在激發部分1210期間操作(例如，照明)激發LED時，通過光學發射引導件將由激發LED發射的光從激發LED引導通過探針尖端中的開口，其中所述光照明D0傳感器的發光體。響應于此照明，發光體發射光且基于流動路徑中的流體中的氧的存在被淬滅。在步驟 1214處，由光電二極管接收由發光體發射的光，光電二極管響應于此所接收到的光產生信號。接著，在步驟1216處，基于來自光電二極管的信號產生激發信號。舉例來說，此激發信號對應于如由發光體發射且通過光電二極管接收到的光的量值或相位。在步驟1218處，可使用每當在測量循環的激發部分1210期間操作激發LED時所產生的激發信號確定最終激發信號。舉例來說，此最終激發信號可為每當在測量循環的激發部分1210期間操作激發LED時所產生(在步驟1216)的激發信號的平均值。[〇〇93]接著，在測量循環的參考部分1250期間，在步驟1252處，可以某一頻率操作參考 LED，在一個實施例中所述某一頻率可與在激發部分1210中操作激發LED的頻率相同且可為約16KHz。每當在參考部分1250期間操作(例如，照明)參考LED時，可在步驟1254處由光電二極管直接接收由參考LED發射的光，光電二極管響應于此所接收到的光產生信號。
[0094]在步驟1256處，基于來自光電二極管的信號產生參考信號。舉例來說，此參考信號對應于由參考LED發射且通過光電二極管接收到的光的量值或相位。在步驟1258處，可使用每當在參考部分的參考部分1250期間操作參考LED時所產生的參考信號確定最終參考信號。舉例來說，此最終參考信號可為每當操作參考LED時所產生的參考信號的平均值。
[0095]另外，在步驟1260處，在測量循環期間的某一點(其可為在激發部分期間、在參考部分期間、在所述部分之間、在所述部分之后、在測量循環期間的多個點期間獲得的多個溫度測量的平均值等等)，基于從溫度傳感器接收到的信號確定D0傳感器的流動路徑中的流體的溫度。[〇〇96]在步驟1270處，可基于最終激發信號、最終參考信號及溫度確定流體中的氧濃度的測量。明確來說，可使用最終激發信號導出對應于當流體中的溶氧與發光體的熒光材料相互作用以淬滅或減少那種材料的熒光量時熒光的減少的衰減時間或衰減時間常數。特定來說，可使用在測量循環的參考部分期間確定的最終參考信號(例如，最終參考信號的相位)確定最終激發信號的相位且可考慮傳感器電子器件中的延遲。可使用最終激發信號的校正相位在激發部分期間精確確定發光體的熒光的衰減時間。接著，可基于所利用發光體的已知衰減時間常數與所確定衰減時間之間的關系確定流體中的氧濃度測量。舉例來說， 可使用所存儲校準數據(例如，如在校準過程中所確定)確定此測量。可使用基于溫度與氧濃度之間的已知關系所確定(例如，在步驟1260)的溫度值進一步調整此濃度測量。[〇〇97]另外，在一些實施例中，在步驟1280處，可在測量循環期間確定指示發光體狀態的警報狀態。此處，電子組件中的校準數據可包含用于發光體的熒光的參考量值。此參考量值可為在D0傳感器300的校準期間確定的指定值等等。可將此參考量值與在激發部分期間產生的最終激發信號的量值比較以確定激發信號的量值是否處于在校準期間確定的參考量值的某一閾值(例如，50%、20%等等)內。舉例來說，制造商或用戶可在校準期間配置此閾值。如果最終激發信號的量值不在參考量值的閾值(例如，參考量值的50%)內，那么可設置指示發光體需要更換的警報標志或發送警報信號。應注意，在一些實例中，可并非在每一測量循環確定警報狀態，可能從不在測量循環中確定警報狀態、或可僅當由工藝控制器或類似物指定時確定警報狀態。[〇〇98]接著，在步驟1290,可由D0傳感器提供指示氧濃度的測量的至少一信號。可使用此信號控制與D0傳感器一起利用的工藝或用于多種多樣的其它功能。另外，在步驟1290處，也可由D0傳感器提供測量溫度或警報狀態的信號。
[0099]如簡略論述，可不結合測量循環確定警報狀態。因此，在一些實施例中，可與測量循環分離執行發光體測試循環。可期望，在大氣下執行單獨發光體測試循環，在其中在大氣下在校準過程中確定用于發光體的參考量值的情況中尤為如此。因此，在執行此類發光體測試循環之前，可將D0傳感器放回或敞開于大氣或當在工藝期間將大氣引入到流體流動路徑時，可在所述工藝的部分期間執行D0傳感器等等。因此，應明白，在某些實施例中，此類發光體測試循環可大體上與如上文描述在存在大氣的情況下執行測量循環相同。[〇1〇〇]在圖13中描繪用于執行測試循環以確定發光體更換的警報狀態的方法的一個實施例。在執行測試循環的此情況中，首先，在步驟1310處，通過操作激發LED產生激發信號。 應注意，可大體上類似于本文中的此類激發信號的其它論述產生此激發信號。在步驟1320 處，可確定指示發光體狀態的警報狀態。如所論述，校準數據可包含參考量值或可能已經以某一其它方式指定所述參考量值。可將此參考量值與激發信號的量值比較以確定激發信號的量值是否處于在校準期間所確定的參考量值的某一閾值內。如果激發信號的量值不在參考量值的閾值(例如，參考量值的50%)內，那么可在步驟1330處設置指示發光體需要更換的警報標志或發送警報信號。
[0101]可以軟件或硬件或二者的組合中的控制邏輯的形式實施本文中描述的實施例。可將控制邏輯存儲于信息存儲媒體(例如計算機可讀媒體)中作為適于指示信息處理裝置執行在各種實施例中揭示的一組步驟的多個指令。基于本文中提供的揭示內容及教示，所屬領域的一般技術人員將了解實施本發明的其它方式及/或方法。
[0102]如在本文中使用，術語“包括(compri ses、compri s ing )”、“包含(includes、 including)”、“具有(has、having)”或其任何其它變化希望涵蓋非窮盡性包含。舉例來說， 包括一系列元件的工藝、產品、對象或設備不必僅限于那些元件，而是可包含未明確列出或此類工藝、產品、對象或設備中固有的其它元件。
[0103]“計算機可讀媒體”可為可含有、存儲、傳達、傳播或傳送供指令執行系統、設備、系統或裝置使用或結合其使用的程序的任何媒體。計算機可讀媒體可為(僅舉例來說但無限制之意)電子、磁性、光學、電磁、紅外線或半導體系統、設備、系統、裝置、傳播媒體或計算機存儲器。此類計算機可讀媒體大體上應為機器可讀媒體且包含可為人工可讀(例如，源代碼)或機器可讀(例如，目標代碼)的軟件程序或代碼。[〇1〇4] “處理器”包含處理數據、信號或其它信息的任何硬件系統、機制或組件。處理器可包含具有通用中央處理單元、多個處理單元、用于實現功能性的專用電路的系統或其它系統。處理不需限于地理位置或具有時間限制。舉例來說，處理器可“實時”、“離線”、在“批次模式”下等等中執行其功能。可由不同(或相同)處理系統在不同時間及不同位置執行處理的部分。
[0105]還應明白，也可以更獨立或集成的方式實施在圖/圖式中描繪的元件中的一或多者，或甚至被移除或呈現為在某些情況中不能操作，如根據特定應用是有用的。另外，圖/圖式中的任何信號箭頭應僅被視為示范性，而非限制性，除非另有明確說明。舉例來說，如本文描繪的D0傳感器的實施例已經被描繪為具有接合到包含流動路徑的下部的上部，流動路徑具有經布置以使流體進出流動路徑的端口。然而，將注意，D0傳感器的其它預期實施例可以不包含集成流體流動路徑的其它方式利用及配置，且可(例如)直接集成到工具或類似物的流體流動路徑中、集成到容器、外包裝、襯墊等等中。
[0106]此外，如在本文中使用的術語“或” 一般希望意味著“及/或”，除非另有指示。如在本文中使用，術語前面的“一(a或an)”(且當先行詞基礎為“一(a或an)”時的“所述”)包含此類術語的單數及復數兩者(即，提及“一(a或an)”明確指示僅單數或僅復數)。此外，如在本文描述中使用，“在……中”的涵義包含“在……中”及“在……上”，除非在文中另有明確指不。[〇1〇7]上文已關于特定實施例描述益處、其它優點及對問題的解決方案。然而，益處、優點、對問題的解決方案及可導致任何益處、優點或解決方案發生或變得更加明顯的任何組件不應被解釋為關鍵、必需或本質特征或組件。
【主權項】
1.一種溶氧傳感器，其包括: 光學透明材料窗，其中發光體被附接到所述窗的能夠暴露于流體的第一側； 光學探針，其與來自所述流體流動路徑的所述窗及所述發光體相對，其中所述光學探針包含: 激發光源，其經配置以照明所述發光體； 光電二極管，其經配置以接收由所述發光體響應于照明而發射的光;及 電子組件，其具有與存儲于其中的所述發光體相關聯的基線量值，且經配置以: 確定從所述發光體發射的所述光的量值； 確定從所述發光體發射的所述光的所述量值是否在所述基線量值的閾值內；及基于從所述發光體發射的所述光的所述量值是否在所述基線量值的閾值內的所述確定設置與所述發光體相關聯的警報狀態。2.根據權利要求1所述的溶氧傳感器，其中所述閾值是50%。3.根據權利要求1所述的溶氧傳感器，其中在所述溶氧傳感器的校準期間確定所述基線量值。4.根據權利要求1所述的溶氧傳感器，其中所述校準在大氣下發生。5.根據權利要求1所述的溶氧傳感器，其中所述電子組件經配置以基于由所述發光體發射的所述光確定氧濃度的測量。6.根據權利要求5所述的溶氧傳感器，其中由所述發光體發射的所述光的所述量值的所述確定及所述氧濃度測量是基于從由所述發光體發射的所述光而確定的相同信號。7.根據權利要求1所述的溶氧傳感器，其中所述溶氧傳感器包括:光學接收引導件，其經路由通過所述探針且具有接近所述窗的第一端，其中所述光學接收引導件經配置以接收由接納于所述第一端處的所述發光體響應于由所述激發光源照明所述發光體而發射的所述光，且將所述光引導到鄰近于所述光學接收引導件遠離所述窗的第二端的所述光電二極管，其中所述光電二極管與所述光學接收引導件在軸上對準;及印刷電路板PCB，其包含所述電子組件，且所述PCB與所述光電二極管及所述光學接收引導件在所述軸上對準，且所述光電二極管耦合到所述PCB。8.根據權利要求1所述的溶氧傳感器，其中所述窗與所述流體接觸。9.根據權利要求1所述的溶氧傳感器，其中所述窗或所述發光體是可更換的。10.一種用于操作溶氧傳感器的方法，其包括: 使用激發光源照明發光體； 接收由所述發光體響應于照明而發射的光； 確定從所述發光體發射的所述光的量值； 確定從所述發光體發射的所述光的所述量值是否在與所述發光體相關聯的基線量值的閾值內；及 基于從所述發光體發射的所述光的所述量值是否在所述基線量值的閾值內的所述確定設置與所述發光體相關聯的警報狀態。11.根據權利要求10所述的方法，其中所述閾值是50%。12.根據權利要求10所述的方法，其中在所述溶氧傳感器的校準期間確定所述基線量值。13.根據權利要求10所述的方法，其中所述校準在大氣下發生。14.根據權利要求10所述的方法，其中所述電子組件經配置以基于由所述發光體發射的所述光確定氧濃度的測量。15.根據權利要求10所述的方法，其中由所述發光體發射的所述光的所述量值的所述確定及所述氧濃度測量是基于從由所述發光體發射的所述光而確定的相同信號。16.—種計算機可讀媒體，其包括用于控制溶氧傳感器的指令，所述指令用于: 操作激發光源以使用所述激發光源照明發光體； 接收基于由所述發光體響應于通過所述激發光源的所述照明而發射的光所確定的信號； 基于所述信號確定從所述發光體發射的所述光的量值;及 確定從所述發光體發射的所述光的所述量值是否在與所述發光體相關聯的基線量值的閾值內；及 基于從所述發光體發射的所述光的所述量值是否在所述基線量值的閾值內的所述確定設置與所述發光體相關聯的警報狀態。17.根據權利要求16所述的計算機可讀媒體，其中所述閾值是50%。18.根據權利要求16所述的計算機可讀媒體，其中在所述溶氧傳感器的校準期間確定所述基線量值。19.根據權利要求16所述的計算機可讀媒體，其中所述校準在大氣下發生。20.根據權利要求16所述的計算機可讀媒體，其中所述電子組件經配置以基于由所述發光體發射的所述光確定氧濃度的測量。21.根據權利要求20所述的計算機可讀媒體，其中由所述發光體發射的所述光的所述量值的所述確定及所述氧濃度測量是基于基于由所述發光體發射的所述光而確定的所述信號。
【文檔編號】G01N33/18GK106068454SQ201580011111
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2015年3月19日 公開號201580011111.5, CN 106068454 A, CN 106068454A, CN 201580011111, CN-A-106068454, CN106068454 A, CN106068454A, CN201580011111, CN201580011111.5, PCT/2015/21586, PCT/US/15/021586, PCT/US/15/21586, PCT/US/2015/021586, PCT/US/2015/21586, PCT/US15/021586, PCT/US15/21586, PCT/US15021586, PCT/US1521586, PCT/US2015/021586, PCT/US2015/21586, PCT/US2015021586, PCT/US201521586
【發明人】弗朗西斯科·哈維爾·馬丘卡, 羅納德·菲利普·基亞雷諾, 凱爾·威廉姆·蒙哥馬利
【申請人】恩特葛瑞斯-捷特隆解決方案公司