TWI598573B - 超音波液位感測系統 - Google Patents

Description

超音波液位感測系統 相關申請案之交互參照

本案請求2014年11月18日申請的美國臨時申請案第62/081,266號的權益。在此以完全闡述引用的方式將2014年1月24日申請的美國專利案第14/163,407號及2014年8月29日申請的美國臨時申請案第62/043,668號併入本文。

本發明關於一種超音波探針，其具有用於測量密封容器內的液位的超音波感測器。

許多半導體製程涉及必須符合嚴格純度要求的化學試劑的應用。這些液態化學試劑通常裝入密封容器(例如安瓿)中以預防該等化學試劑的污染並且防止洩漏。該等化學試劑通常需要運用金屬對金屬密封(metal-on-metal seal)的金屬容器和容器附件以避免在提高壓力之下的腐蝕、污染及洩漏。當使用存於此容器中的化學試劑時，其經常必須得能測定留在該容器中的化學試劑的量而不會使該化學試劑暴露於環境或使操作員受到該化學試劑影響。

超音波探針於半導體業常被用來測量密封容器內的化學試劑位準。典型的設計包括沿著該探針內的導管縱長串聯佈置的多重超音波感測器，例如准予Dam等人的美國專利第5,663,503號所揭示的感測器及構型。信號處理裝置(例如，控制器、計量器、個人電腦等等)將電子信號發放給該等超音波感測器，其接著產生通過該導管的音波***及返回該等感測器的回波。各感測器將其接收的回波(echoed wave)轉換成發送回該信號處理裝置的電子信號。該信號處理裝置接著解析該等電子信號以推斷該等回波的強度以及該等回波發射與到達之間經過的時間。對沿著該導管特定部位佈置的各感測器，該等超音波行經該導管的速度及該超音波回波的強度將隨著該導管部位含有化學試劑或氣體或蒸氣而不同(亦即，聲音行經液態介質比氣體或蒸氣更快)。依此方式，該信號處理裝置能測定沿著該導管縱長的化學試劑位準而且從而該容器內的化學試劑的量。

一般，較大量佈置於該超音波探針內的超音波感測器在測量化學試劑位準時被轉譯為提高的精確度。然而，這樣的感測器卻受限於其無法精確地測量接近或低於該探針下端的化學試劑水位。這由於半導體製程和環境的嚴苛特性、與該等化學試劑相關的成本及與清潔容器時剩餘化學試劑處理相關的成本而會有問題。傳統方法製作感測器與控制器間的電子連接所需的空間是缺乏的，因為更高數目的感測器需要更多的空間來容納附加的連接，而此超出了導管的大小。此外，操作感測器的傳統方法也是不充足的，因為它們限制 了以可靠方式製作電子連接的可能性(例如可以避免交談的方式)。

因此，此技藝中需要一種超音波探針其具有一改良的機構來製作感測器與控制器間的電子連接，一種改良的方玩來操作感測器，於是當使用現存標準化容器接頭時能夠使得超音波探針可靠地操作更高數目的感測器。

1D‧‧‧探針的縱軸

D1‧‧‧凸出密封面內緣與頸管側壁的距離

D2‧‧‧頸管的外徑、內管的外徑

D3‧‧‧筒體的外徑、頸管的外徑

D4‧‧‧空心柱內徑

D5‧‧‧碟形蓋與容器基部內表面之間的間隔

100‧‧‧超音波探針

102a‧‧‧密封裝配構件

102b‧‧‧密封裝配構件

103‧‧‧貫通孔

104‧‧‧可撓性連接器

106‧‧‧電纜護套

107‧‧‧連接器

108‧‧‧頸管

109‧‧‧控制器

110‧‧‧頸管上端

111‧‧‧LED計量器

112‧‧‧頸管下端

113‧‧‧肩部部位

114‧‧‧側壁

116‧‧‧肩部管

118‧‧‧肩部管上端

120‧‧‧肩部管下端

122‧‧‧筒體的外管

123‧‧‧筒體

124‧‧‧外管上端

126‧‧‧外管下端

128‧‧‧側壁

130‧‧‧貫通孔

132‧‧‧筒體的內管

134‧‧‧內管上端

136‧‧‧內管下端

138‧‧‧側壁

140‧‧‧碟形蓋

142‧‧‧碟形蓋的內部邊緣

144‧‧‧導管

146‧‧‧筒體的內部容積

148‧‧‧熔接區

149‧‧‧唇部

150‧‧‧凸出密封面

151‧‧‧凸出密封面的內緣

152‧‧‧螺紋區

154a‧‧‧測試埠

154b‧‧‧測試埠

156、156a~156l‧‧‧超音波感測器

157‧‧‧密封裝配組合件

158‧‧‧配線

159‧‧‧容器

160‧‧‧容器本體

162‧‧‧上方部位

164‧‧‧密封裝配構件

166‧‧‧螺紋區

168‧‧‧空心柱

170‧‧‧密封表面

172‧‧‧唇

174‧‧‧側壁

176‧‧‧金屬墊片

177‧‧‧超音波感測器

178‧‧‧容器基部的內表面

179‧‧‧容器基部

180‧‧‧電纜屏蔽

181‧‧‧導線

182‧‧‧導線

183‧‧‧導線

186‧‧‧微控制器

188‧‧‧外部控制裝置

190‧‧‧電纜

192‧‧‧信號輸出

S1‧‧‧側壁114和側壁174之間的距離

S2‧‧‧上方部位162與上端118之間的距離

S3‧‧‧上方部位162和上端124之間的距離

後文中將聯合隨附圖式來描述本發明，其中類似的編號表示類似的元件。

圖1A係依據一示範具體實施例的超音波探針的***透視圖；圖1B係圖1A的超音波探針沿著線1B-1B取得的非***截面圖；圖2A依據一示範具體實施例將圖1A和1B之超音波探針安裝於容器上的透視圖；圖2B係圖2A的虛線面積內所示的超音波探針和容器的部分沿著線2B-2B取得的放大的部份截面圖；圖3係依據另一示範具體實施例沿著圖2B的2B-2B線取得的放大的部份截面圖，顯示超音波探針的感測器的配線； 及圖4係依據示範具體實施例的耦合到超音波探針的控制器線路的方塊圖。

隨附的詳細描述僅提供較佳的示範具體實施例，而且無意限於本發明的範圍、適用性或構型。更確切地說，該等較佳示範具體實施例的隨附詳細說明將提供給熟悉此技藝者用於實施本發明的較佳示範具體實施例的許可說明。如後附申請專利範圍所述的，各種不同變更能依照元件的功能及配置做到而不會悖離本發明的精神及範圍。

在該等圖式中，類似於本發明的其他具體實施例者的元件係藉由增加數值100的參考編號來表示。除非在文中另行指明或描述，否則這樣的元件應該被視為具有相同功能及特徵，而且此類元件的討論可能因此對於多重具體實施例不再重述。

用於本說明書及申請專利範圍時，該措辭“導管”表示一或更多結構，流體能通過該一或更多結構運送於一系統的二或更多零件之間。舉例來說，導管能包括運送液體、蒸氣及/或氣體的輸送管、導管、通路及其組合。

用於本說明書及申請專利範圍時，該措辭“流體連通”表示使液體、蒸氣及/或氣體能依照控制方式(亦即，不洩漏)運送於該等零件之間的二或更多零件之間的連結性質。連接二或更多零件以便使其彼此流體連通會涉及此技藝中已 知的任何適合方法，例如使用熔接件、凸緣導管、墊片及螺釘。二或更多零件也可能經由可以將其分開的系統其他零件連接在一起。

用於本說明書及申請專利範圍時，該措辭“電連接”及“電連接”的相關元件之間的有線及無線連接，即該等相關元件之間能夠傳送電子訊號。

為了協助描述本發明，本說明書及申請專利範圍中可使用方向用語來描述本發明的部位(例如，上方、下方、右側、右側等等)。這些方向用語僅欲協助描述並且主張此發明，而且無意依任何方式限制本發明。另外，為了提供其他特徵的前後關係，本說明書中關聯圖式加進來的參考編號可能在一或更多其後的圖中重複出現而不在此說明書中另行描述。

圖1A和1B顯示依據本發明的示範具體實施例之超音波探針100。更明確地說，圖1A顯示該超音波探針100的***透視圖而且圖1B顯示圖1A的超音波探針沿著線1B-1B取得的非***截面圖。虛線1D表示探針100的縱軸。

該超音波探針100包含密封裝配構件102a和102b、可撓性連接器104、電纜護套106、具有肩部部位113的頸管108及筒體123。如本文更詳細討論的，該密封裝配構件102a和102b係密封裝配組合件157的部件，該等部件將該超音波探針100鎖緊於容器159。在此示範具體實施例中，例如2014年1月24日申請的同在申請中的相關美國專利案序號第14/163,407號，在此以引用的方式將其教導併入本文， 該密封裝配組合件157係一面密封裝配組合件(face seal fitting assembly)，其中該密封裝配構件102a係一具有貫通孔103的面密封配合填函蓋(face seal fitting gland)而且該密封裝配構件102b係一具有4分之3吋(19.1mm)六角螺帽的標準尺寸的面密封附件。在此具體實施例中，該密封裝配構件102b擺在該密封裝配構件102a的唇部149上並且能相對於該密封裝配構件102a繞著繪製通過該貫通孔103的軸旋轉。在可供選擇的具體實施例中，如普通熟悉此技藝者顯而易見的，該密封裝配構件102a和102b能具有其他尺寸及特徵，例如較長的填函蓋、半吋(12.7mm)或非標準尺寸的面密封附件及/或接合於該密封裝配構件102a的密封裝配構件102b。同樣地，其他類型的附件也能用於密封裝配組合件157，例如，舉例來說，表面安裝C形密封件。

該密封裝配構件102a係連接至該可撓性連接器104及該電纜護套106。該頸管108包含界定上方開口的上端110、界定下方開口的下端112及側壁114。在此具體實施例中，例如圖1A所示者及同在申請中的相關美國專利申請案序號第14/163,407號所述者中，該頸管108的肩部部位113包含一肩部管116，該肩部管116具有界定上方開口的上端118及界定下方開口的下端120。該肩部管116係圓錐形並且提供從該頸管108至該筒體123的外管122之平滑過渡部分。該頸管108的下端112係配置於該肩部管116內而且該肩部管116係連接至該頸管108的側壁114。在其他具體實施例中，整個頸管108，包括該肩部部位113在內，能由單一單件式零 件構成。該頸管108的上端110係配置於該密封裝配構件102a的貫通孔103內及該可撓性連接器104內。

該筒體123包含外管122、內管132及碟形蓋(disc cap)140。該外管122具有界定上方開口的上端124、界定下方開口的下端126、側壁128及配置於該側壁128中並接近該上端124的貫通孔130。該外管122的上端124係連接至該肩部管116的下端120。

該內管132包含界定上方開口的上端134、界定下方開口的下端136及側壁138。在此示範具體實施例中，該上端134界定一上方開口，該上方開口大約與該下端136所界定的下方開口垂直。該內管132界定一導管144(參見圖1B)。理應了解的是，在本發明的其他具體實施例中，該導管可能沒完全被包住，超音波探針100就是這樣。舉例來說，在具有“音叉”型筒體(亦即，具有二間隔開並向下伸出的組件)探針中該導管可能包含位於該二間隔開的組件之間的空間。

該碟形蓋140包含界定一開口的內部邊緣142。在一組合構型中，該內管132完全配置於該外管122內，該內管132的上端134對準中配置於該側壁128的貫通孔130，而且該內管132的下端136對準該外管122的下端126。該內管132的上端134係連接至該側壁128。該碟形蓋140係連接至該外管122的下端126及該內管132的下端136，藉以將該外管122的下端126連接至該內管132的下端136。

該導管144係配置於該筒體123內而且具有該內管132的下端136所界定的下方開口(該下方開口也能視為由 該碟形蓋140的內部邊緣142界定)(參見圖1B)。當該筒體123係***一容器時(參見圖2的容器159)，該導管144與盛裝液體的容器內部容積流體連通以致於該液體能流過該導管144。

該外管122的側壁128及該內管132的側壁138之間界定出一內部容積146(亦即，隔間)，該內部容積146也以該碟形蓋140為界，如示。該內部容積146與該導管144隔離(亦即，該內部容積146沒與該導管144流體連通)以致於流經該導管144的任何液體均無法進入該內部容積146。

多數超音波感測器156係配置於該筒體123的內部容積146內。在一示範具體實施例中，該多數超音波感測器156包括耦合於該內管132的側壁138的十二(12)超音波感測器156a至156l及超音波感測器177，該超音波感測器177在某些具體實施例中耦合於側壁138，而且在可供選擇的具體實施例中耦合於碟形蓋140。在此具體實施例中，該多數超音波感測器156a至156l中的各者係利用環氧樹脂黏接於側壁138，而且超音波感測器177係黏接於碟形蓋140。因此，超音波感測器156a至156l朝著面對側壁138(例如，與縱軸1D垂直)的方向發射聲波，而且超音波感測器177朝著該碟形蓋140(例如，與縱軸1D平行)的方向發射聲波。其他適用於耦合的手段也能運用，例如雙面膠帶或其他黏著劑。在其他具體實施例，該多數超音波感測器156能包括更多或更少數目的感測器。較佳地，該多數超音波感測器156包括至少五超音波感測器。該多數超音波感測器156和超音波感測器177 能提供普通熟悉此技藝者已知的任何適合超音波感測器，例如，舉例來說，壓電晶體。該多數超音波感測器的各超音波感測器156a至156l朝著穿過該側壁138和該導管144(和存於其中的任何液體)的方向發射聲波並且偵測返回的聲波。超音波感測器177朝著穿過碟形蓋140至該容器159基部179的內表面178(和存於其中的任何液體)的方向發射聲波並且偵測返回的聲波。該多數超音波感測器的各超音波感測器156a至156l包括配線158(包含至少一條導線)從該內部容積146延伸、通過該頸管108，及該電纜護套106。該配線158係終止於一塞入於一控制器109的連接器107(參見圖2)。

該控制器109係一可程式資料處理裝置，其發送電子信號給該多數超音波感測器156，接收來自該多數超音波感測器156的信號，並且測定該超音波探針100***的容器內的液位。在此具體實施例中，該控制器109包含一或更多微處理器(沒顯示)、電源供應器(沒顯示)、接受該連接器107的至少一輸入/輸出埠(沒顯示)及提供該容器內的液體量的目視度數指示的發光二極體(LED)計量器111或液晶顯示器。在可供選擇的具體實施例中，該控制器109能包括其他輸入/輸出埠及/或其他用於指示該容器內的液位的聽覺和視覺機構。同樣地，該控制器109可提供任何類型的可程式資料處理裝置，包括個人電腦執行控制軟體。

關於該多數超音波感測器156中的各超音波感測器，該控制器109經由該配線158發送電子信號(亦即，一或多個脈波)給該超音波感測器，其造成該超音波感測器發射聲 波(亦即，該等壓電性晶體振盪)。該超音波感測器接著接收返回的聲波並且將該回波轉換成經由該配線158送返該控制器109的電子信號。在一較佳具體實施例中，控制器109發送一系列多脈波(例如，20脈波)給該等超音波感測器156之個別者，該個別超音波感測器發射相應於該等脈波的聲波。控制器109等待經過預定時期(例如，時間窗)之後讓該超音波感測器接收由該等發射的聲波返抵的任何回波(echoed wave)。若該超音波感測器接收到一回波，該感測器便產生發送給控制器109的信號(例如，該壓電晶體於以該接收到的回波的頻率和強度為基礎的頻率和強度下振盪)。依據在該時間窗中是否有接收到任何回波(例如，依據該超音波感測器產生的任何信號的頻率及/或強度)，控制器109得於特定超音波感測器確定導管144中是否存有液體。典型地，當該超音波感測器在該時間窗中感測到液體不存在，有少許或無回波(例如，該壓電晶體振盪的強度可能非常低，或完全沒有)時，而且當存有液體時，該等回波的頻率和強度大體上與發送波類似。等到該時間窗結束時，控制器109發送一系列多脈波給下一超音波感測器以感測於超音波探針100的下一水位處液體的存在。

如先前討論的，該控制器109解析收到的信號強度以及傳送該電子信號給該超音波感測器與接收來自該超音波感測器的電子信號之間經過的時間以測定於配置特定感測器的導管144部位是否有液體。相應地，藉由使用該多數超音波感測器156，該控制器109能測定沿著該導管144縱長的液位及***該筒體123的容器內的液體量。同樣地，藉由運 用超音波感測器177，控制器109能確定沿該導管14的長度的液位，及因而確定***有該筒體123的容器內的液體量。該多數超音波感測器156及中的各感測器可藉由該LED計量器111中的LED來表示以提供該容器內的液體量的目視度數指示(例如，各LED只有在特定感測器偵測到液體時才點亮)。

因為介於碟形蓋140(例如，該超音波探針100的底端)與容器159基部179的內表面178之間的距離，D5，係非零值以讓液體流入導管144而能被超音波探針100測量到，所以朝穿過該側壁138和該導管144的方向發射聲波的多數超音波感測器156的底部超音波感測器(例如，超音波感測器156l)將會高於該容器基部的內表面178某個距離。因此，在測量容器159內的精準液位時超音波探針100會有某程度的固有不準確度。由此，在某些具體實施例該超音波探針100可能運用一超音波感測器被定向經過該碟形蓋140對該超音波探針100的底端發射聲波以確定該空間，D5，中的液位，介於該碟形蓋140(即該超音波探針100的底端)與該容器159基部179的內表面178之間的間隔，例如相關的申請中的美國臨時專利號62/043678，2014年8月29日申請。

該控制器109能經程式編寫以於同一時間發送信號給該多數超音波感測器156中的超音波感測器156a至156l並且接收來自該等感測器的不到所有者的信號。此特徵消除該多數超音波感測器156的配線158得個別遮蔽的需求而且也讓該等超音波感測器156a至156l能更緊密地配置在一起。在先前技藝系統中，將該等超音波感測器連接至控制器的配 線經常個別遮蔽以防止於同一時間發送給該探針中的所有超音波感測器及來自該等超音波感測器的電子信號引起的干擾(亦即，串擾)。舉例來說，在典型先前技藝設計中的各超音波感測器的配線可能包括一同軸電纜，其中該內導線擔任往該超音波感測器的信號線的任務而且該外部遮蔽件擔任地線(例如，接地到該探針的鋼管)及來自該超音波感測器的信號返回線的任務。在先前技藝的系統中，該探針內的超音波感測器也必須遠遠地間隔開以避免同時發射聲波的超音波感測器引起的干擾。這些特徵(亦即，多重遮蔽電纜增加的體積及感測器之間更大的空間)各個均限制能配置於探針中的超音波感測器數目而無法加大該探針的尺寸及相關的硬體。

在一較佳具體實施例中，該控制器109係經程式編寫或以操作方式建構以一次發送信號給該多數超音波感測器156中之一個超音波感測器，並且接收來自該超音波感測器的信號。舉例來說，該控制器109能經程式編寫以便先發送電子信號給該超音波感測器156a並且等候收取來自該超音波感測器156a的返回信號，接著發送電子信號給該超音波感測器156b並且等候收取來自該超音波感測器156b的返回信號，關於該多數超音波感測器156中的各超音波感測器均依此類推。如果該超音波探針100正在運作，等到已經於第一時間發送電子信號給該多數超音波感測器156中的各者並且接收來自各者的電子信號以後(在此具體實施例中，開始於超音波感測器156a而且終止於超音波感測器156I，但是其他順序也可行)，該控制器109重複此順序並且於第二時間發送電 子信號給該超音波感測器156a及該多數超音波感測器156中的各者並且接收來自彼等的電子信號，以此類推。依此方式，各超音波感測器156a至156l的配線158之間及該等超音波感測器本身之間發生干擾的可能性將大幅降低或消除，因為該等超音波感測器156a至156l並非全都同時發射接收聲波而且該等超音波感測器156a至156l中各自的配線158並非同時運送電子信號。

這個操作該多數超音波感測器156的方法消除各超音波感測器156a至156l的配線158得個別遮蔽的需求而且該等超音波感測器156a至156l能比先前技藝系統更緊密地配置在一起(亦即，比圖1B所示者又更緊密)，該二者使更大數目的超音波感測器能配置於該筒體123內。在一示範構型中，該配線158包含一多導線遮蔽電纜，該多導線遮蔽電纜具有沒經個別遮蔽的多數內導線，其中一單獨內導線係連接至該多數超音波感測器156中的各超音波感測器以擔任該信號線的任務，而且該多導線遮蔽電纜的外部遮蔽件擔任該多數超音波感測器156中的所有超音波感測器的共同返回線及接地線。舉例來說，能使用一同軸電纜當作該多導線遮蔽電纜，其中該等內導線係連接至該多數超音波感測器156擔任信號線的任務，而且該同軸電纜外部遮蔽件擔任該共同返回線的任務。在一較佳具體實施例中，該多芯遮蔽電纜係市售可得的電纜例如美國，密蘇里州，路易士街的Belden股份有限公司製造的83562型電纜。

該頸管108係配置於該密封裝配構件102a和 102b及該可撓性連接器104內。該頸管108係藉由製作在熔接區148內的熔化熔接件(亦即，焊珠)固定於該密封裝配構件102a。較佳地，該熔接件僅佔據該熔接區148的一部分而且製作在該頸管108的側壁114緊鄰該密封裝配構件102a之處。該密封裝配構件102a包括繞著該頸管108伸出的凸出密封面(亦即，密封面)150。該凸出密封面150具有與該頸管108的側壁114分隔距離D1的內緣151。為了防止該熔接區148內的熔接損及該凸出密封面150(例如，熔接材料會創造***的表面及/或熔接的熱會使該凸出密封面150變形)，距離D1較佳為至少2.0mm而且，更佳為至少6.0mm。該密封裝配構件102b包括一螺紋區152，該螺紋區152咬合該密封裝配組合件157的另一密封裝配構件164。超音波探針100也可能包括測試埠(沒顯示)，當該超音波探針100鎖緊於該容器159時該等測試埠係用於洩漏偵測。

該筒體123具有一外徑D3(亦即，該外管122的外徑)。該頸管108和該內管132具有小於該筒體123外徑D3的外徑D2。相較於該內管132的外徑D2，該筒體123的較大外徑D3提供該內部容積146內的增量空間，那是儲存增加數目的超音波感測器156a至156l及其個別配線158所必需的。較佳地，該內管132的外徑D2對該筒體123的外徑D3之比值小於或等於0.95。更佳地，該內管132的外徑D2對該筒體123的外徑D3之比值小於或等於0.95而且大於或等於0.3。更佳地，該內管132的外徑D2對該筒體123的外徑D3之比值小於或等於0.8，而且該筒體123的外徑D3不大於0.827 吋(21.0mm)。更佳地，該內管132的外徑D2對該筒體123的外徑D3之比值小於或等於0.8而且大於或等於0.4。更佳地，該內管132的外徑D2大約是16分之5吋(7.9mm)，而且該筒體123的外徑D3大約是8分之5吋(15.9mm)。較佳地，在該多數超音波感測器156包括至少4個超音波感測器的情形下該外管122的側壁128與該內管132的側壁138之間的最小距離為至少0.10吋(2.5mm)，而且在在該多數超音波感測器156包括12個超音波感測器156a至156l的情形下最小距離為至少0.15吋(3.8mm)。

在其他具體實施例，如同在申請中的相關美國專利案序號第14/163,407號所述的，超音波探針100可運用不同結構的頸管108和筒體123。舉例來說，在某些具體實施例中，例如同在申請中的相關美國專利案序號第14/163,407號所述的，頸管108的肩部部位113係由側壁114構成而非單獨物件而且與該頸管108剩餘部分合為一體(亦即，該頸管108和肩部部位113為一單件材料)，舉例來說經由從該頸管108的外徑D2轉變到該頸管108的外徑D3之啞鈴形肩部部位113，該頸管108的外徑D3也是該筒體123的外徑。

再者，同在申請中的相關美國專利案第14/163,407號所述的其他具體實施例可運用超音波探針100的外管122，該外管122不包括被佈置於該側壁128的貫通孔，而且其中外管122的上端124沒耦合於肩部管或該頸管108的下端112。而是該內管132的上端134可與佈置於該套管側壁的貫通孔對齊，該套管側壁係耦合於該頸管108的下 端112和該外管122的上端124。該套管可使筒體123能被建構成一或更多組合件，其可有益地使該多數超音波感測器156能在完成筒體123的組合件之前先予以測試。除此之外，此特徵有益處的原因是該筒體123大部分的組件皆能在安裝該多數超音波感測器156之前熔接在一起，然而熔接產生的熱卻可能損壞該多數超音波感測器156及/或將該多數超音波感測器156固持於該內部容積146內的正確位置的黏著。

圖2A顯示依據本發明的示範具體實施例將該超音波探針100安裝於容器159上的透視圖。該超音波探針100包括該控制器109和該LED計量器111，如先前討論的。該容器159包含本體160、上方部位162及連接至該上方部位162的密封裝配構件164。普通熟悉此技藝者將顯而易見，為了達到清晰及例示的目的該容器159可包括圖2中沒顯示的其他零件(例如，用於再填滿該容器159的額外的閥及硬體)。該本體160和上方部位162界定能容納流體的內部容積。在此具體實施例中，該上方部位162係連接至該本體160的蓋子。在其他具體實施例中，該上方部位162可能是該本體160的整體部分。該密封裝配構件164，像是該密封裝配構件102a和102b，係將該超音波探針100鎖緊於該容器159的密封裝配組合件157之一部位。在此示範具體實施例中，該容器159的零件係由一或更多金屬構成。

圖2B顯示圖2A的虛線盒內所示的超音波探針100和容器159的部分沿著線2B-2B取得的部份截面圖。如圖示，容器159的本體160的上方部位162中的一個孔被安置 有一空心柱168。於此實例空心柱168是一面封接頭夾套其被結合(例如焊接)在本體160的上方部位162。空心柱168包含一突出的密封表面170，一唇172及一側壁174。空心柱168的側壁174具有一內徑D4大於筒體123的外徑D3，於是筒體123可以被***於該空心柱168。密封裝配構件164被包圍安裝於空心柱168上，其包含一螺紋區166其與該密封裝配構件102b的螺紋區152結合(亦即螺紋區152及166具有互相配合的螺紋例如分別為公及母螺紋)。一具有一穿孔的金屬墊片176被安裝於該該密封裝配構件102a的突出的密封表面150及該空心柱168的突出的密封表面170之間。

於一完全安裝的架構中，筒體123被***經過一金屬墊片176及空心柱168，於是該筒體被安裝於容器159的內部，並且該頸管被安裝於空心柱168及金屬墊片176的內部。該密封裝配構件102b的螺紋區152被螺於該密封裝配構件164的螺紋區166，於是該密封裝配構件102b結合(壓迫)該密封裝配構件102a的唇部149，該密封裝配構件164結合該空心柱168的唇172，及該金屬墊片176被壓夾於該密封裝配構件102a的凸出密封面150與該空心柱168的突出的密封表面170。在此方式下，該突出的密封表面170、凸出密封面150，及金屬墊片176形成一金屬-金屬密封防止流體(例如液體，蒸氣及/或氣體)從容器159逃出或進入容器159。

在一完全安裝的架構中，在本示例性實施例中，距離S1存在於頸管108的側壁114和空心柱168的側壁174之間；一個距離S2存在於容器159的上方部位162(即，蓋 體)與肩部管116上端118之間，並且肩部管116的上端118位於該空心柱168的最下部部分的下方；及一個距離S3存在於於容器159的上方部位162和該筒體123的外管122的上端124之間。優選地，所述距離S2大於或等於0.10英寸(2.5mm)，該距離S1大於或等於0.70mm。一般而言，距離S1，S2和S3優選的足夠大到允許流體行進在頸管108的側壁114和空心柱168的側壁174之間，而且在重力的作用下滴回落和返回到容器159。換言之，距離S1，S2和S3優選的是足夠大到能避免流體被保持在頸管108的側壁114和空心柱168的側壁174之間的毛細作用。避免這種毛細管作用有助於最大限度地提高可從容器159被取出的化學試劑的可用數量而加予使用，並且還確保在完全安裝的架構下容器159和超音波探針100的清洗過程中沒有殘留的化學物質會留下而潛在的污染了後來加入到容器159內的新鮮化學試劑。

因此，所述的超音波探針具體實施例滿足此技藝對具有增加數量的超音波感測器的超音波探針之要求，該等超音波感測器能與具有標準尺寸的現行容器裝配件一起使用。該筒體123的外徑D3能提供該內部容積146內增量的空間，為了收藏增量的超音波感測器156a至156l和其分別配線158那是有必要的。在先前技藝超音波探針設計中，該筒體典型地伸入密封裝配組合件。增大的筒體外徑因此將會需要較大及/或非標準密封裝配組合件，或修改標準密封裝配組合件例如藉由搪出一貫通孔(例如該密封裝配構件102a的貫通孔103)使其能接受較大的筒體直徑。然而，非標準裝配組合件通 常比其標準對應物更昂貴許多而且也可能必需使用其他非標準組件。非標準裝配組合件並未從用於半導體製程的標準化裝配組合件的大量測試和實證歷史而獲益。較大的密封裝配件也需要在該容器的蓋子上更大的空間(例如，上方部位162)而且會使獲得緊密的密封更加困難。最終，發明人發現努力修改標準密封裝配組合件以接收較大筒體直徑會負面地影響該超音波探針及/或該密封裝配組合件的結構完整性。舉例來說，參照圖1B，若在該密封裝配構件102a中搪出一貫通孔103以接受較大外徑D2而非該頸管108的外徑D2，該距離D1將會減小。結果，該熔接區148的大小也會減小，而且熔接熱可能損害(亦即，扭歪)凸出密封面150並且負面地影響該凸出密封面150與金屬墊片176之間創造的密封件的完整性。

不像先前技藝探針設計，該超音波探針100的筒體123沒有伸入該密封裝配構件102a。而是，該筒體123係耦合於該頸管108，該頸管108接著耦合於該密封裝配構件102a。將該空心柱168搪孔使該空心柱168的內徑D4比該筒體123的外徑D3更大而且該筒體123能***該空心柱168。該頸管108的外徑D2比該筒體123的外徑D3更小(亦即，該D2對D3的比率小於1)，使該密封裝配構件102a的貫通孔103具有較小孔徑，相對於與需要較大密封裝配件(例如，1吋密封裝配件)或在該密封裝配構件102a中搪出該貫通孔103以收納該筒體123的增大外徑D3。該頸管108的較小外徑D2也提供必需距離D1而擁有夠大的熔接區148，以致於該頸管108和該密封裝配構件102a能熔接在一起而使熔接材料及/或熔 接熱不會損害到該凸出密封面150。預防對該凸出密封面150之類的損害對於保持該凸出密封面150與該金屬墊片176之間的密封件完整性，而且進而保持用於半導體製造的化學藥劑的化驗結果(純度)很重要。

圖3顯示，連至該多個超音波感測器156的配線158的進一步細節。如此處所描述，容器109順序地發送一電信號給該多個超音波感測器156中的一個並且等待接收從該超音波感測器的一返回信號。如圖3所示，該配線158是一多導線遮蔽電纜，其包含多條內導線例如導線181,182，及183，及一外屏蔽例如電纜屏蔽180。如圖所示，每一條導線181,182，及183被單獨絕緣(例如，彼此互相電絕緣)但並不單獨地被遮蔽。如圖3所示，該導線181作為一信號線被連接至該超音波感測器156a。該導線182及183作為信號線被連接至該多個超音波感測器156中後續的超音波感測器(未示於圖3中)。如圖3進一步所示，該電纜屏蔽180被電連接至該內管132的側壁138。因為如此處所描述，該電纜屏蔽180被用作為自所有的超音波感測器156回來的回音信號至該控制器109的一共同返回線，其係藉由電連接電纜屏蔽180至側壁138達成，因此不需要對每一個超音波感測器提供一共同配線，而是連到每一個超音波感測器的共同連接可以電連接該側壁138。這樣可以允許超音波感測器比先前的系統更緊密的被設置，簡化了超音波探針100的結構，降低了配線158的導線數目及大小。於另一替代實施例中，配線158可以包括2層外屏蔽，其中的一屏蔽層作為一共同返回及另一屏 蔽層被接地。例如，於一示例性實施例中一內屏蔽層被用作為該共同返回，及一外屏蔽層被用作為地線(較佳的接地)。

如此處所描述，該控制器109可在一預定頻率對每一個超音波感測器156發出系列脈波。例如，於一實施例中，該控制器109以100kHz的頻率對超音波感測器156發出脈波，當然在其它頻率操作也可行。雖然對超音波感測器156的系列脈波可以是任何次序(例如頂部至底部，底部至頂部，或其它任何次序)，於一實施例中該控制器109對超音波感測器的系列脈波是由超音波探針100的底部至頂部(例如，從超音波感測器156l到超音波感測器156a)。於一示例性實施例中，當一超音波感測器被決定為“乾”時(例如一給定的超音波感測器未偵測到液體)，該控制器109可以選擇性地被程式為物理上位於該超音波感測器以上的所有超音波感測器也必是“乾”的(例如，該容器內的液位低於該第一個“乾”的超音波感測器)。於是，在一些實施例中，如果位在預測液位上方的一感測器(例如在一“乾”感測器的上方)係送回一“濕”狀態時(例如該感測器顯示有液體存在)，則該控制器109會報告送出一錯誤狀態(例如LED計量器111)，於是一操作者可以判讀容器內的液位以決定該超音波探針是否故障。

於一示例性實施例中，控制器109操作LED計量器111以顯示對應於每一個超音波感測器156的狀態。例如當一給定的超音波感測器156正顯示液體存在時(“濕”)LED計量器111的相應指示器可能常亮。同樣地，如果一個 給定的超音波感測器156中的一個顯示液體不存在(“乾”)，LED計量器111的相應指示器可能被點亮，但閃爍。如果控制器109不能與超音波探針100通信，或者容器內的液體完全是空的，LED顯示器的所有指示器可能會閃爍。替代安排是可能的，例如，如果“濕”指示器處於第一LED顏色(例如，綠色)，而“乾”指示器就處於第二LED顏色(例如，紅色)。同樣地，圖形液面表示方式可以被示於LCD螢幕或其他圖形用戶輸出裝置上。

超音波探針100被用來測量一個容器內的液位，可能會受到飛濺，攪動，鼓泡，氣化/冷凝或其他物理干擾而暫時改變了由超音波探針100所測得的液位。因此，為了限制在LED計量器111上所顯示的液位的波動，控制器109可能採用遲滯和/或延遲而更精確地報告在容器內的液位。例如，在一些實施例中，控制器109可能在改變一特定感測器的讀數從“濕”到“乾”(顯示液位的降低)之前會延遲一預定時間量，這將允許控制器109在改變液位顯示之前能從該給定的超音波感測器156接收多個讀數，並希望因而避免容器內液位的任何臨時干擾。在一示範性實施例中，控制器109改變一特定感測器的讀數從“濕”到“乾”之前會延遲5秒。這意味著，一旦控制器109從先前讀的“濕”的感測器接收到“乾”的感測器讀數，該感測器將必須被讀5秒鐘的“乾”，該控制器109才改變LED計量器111來顯示該感測器為乾。如果，在5秒期間的任何時間，該感測器讀“濕”時，該控制器109將保持“濕”的顯示。

在一些實施例中，控制器109在改變一特定感測器的讀數從“乾”到“濕”時(顯示液位昇高)，將不包括一延遲顯示。這種非對稱的操作對在地再填充容器是想要的，其中液位昇高的快速顯示可能是有利的，以避免過量填充容器。替代性地，在改變一特定感測器的讀數從“乾”到“濕”時，一更短的預定時間延遲(例如，1秒)可以被使用。在一些實施方案中，控制器109可以存儲超音波感測器156的先前讀數以基於所述超音波感測器的一個或多個先前讀數採用延遲。

控制器109的一些實施例可能期望將液位數據傳給外部設備，例如，位於所述製造設施內的中央計算機，使得工廠操作人員可遠程從單一位置監視多個容器的液位。例如，控制器109可以提供一個專有的兩線輸出鏈路用於傳送到外部設備。在這樣的實施方案中，控制器109可能提供一個“皆梯形類比輸出”或量化輸出，以將容器內的液位輸出。例如，一個固定的電壓(或電流)位準可能是對應於各超音波感測器156的輸出。例如，如果最低的超音波感測器偵測到液體(例如，超音波感測器156l)，對應於該容器內的最低液位的一第一電壓(或電流)由該控制器109輸出。此電壓(或電流)可以在上述超音波感測器156l上方的每一個感測器在感測到液體時以一固定階梯式被增加。在一個示例性實施例中，階梯形類比輸出是4-20mA橫跨12個超音波感測器156。在另一個示例性實施例中，階梯形類比輸出是0-10V橫跨12個超音波感測器156，雖然其它電壓或電流範圍也是 可能的(例如，0-5伏等)。在一些實施例中，階梯形類比輸出(例如，電壓或電流)的類型可由用戶選擇，例如，基於電耦合到控制器109的設備的一種類型，或者，控制器109在其中操作的一個環境。例如，在實踐中，在某些操作環境中一個階梯形類比電流輸出可能比階梯形類比電壓輸出較不受雜訊影響。

圖4示出控制器109的電路方塊圖。如圖4所示，控制器109包括微控制器186和LED計量器111。如此處所描述的，LED計量器111可能以一個或多個LED，一LCD螢幕來實現，或其他適合於顯示容器159內液位的顯示類型。超音波探針100與微控制器186處於電連通，例如通過電纜護套106和配線158，以進行超音波感測器156和微控制器186之間的電子信號通信。替代性地，可以在超音波感測器156和微控制器186之間提供無線通信鏈路(未示出)。微控制器186處理從超音波探針接收到信號來決定容器159內的液位。然後微控制器186控制LED計量器111來顯示一基於所測定的液位的指示。在一些實施方案中，微控制器186，例如經由信號輸出192和電纜190被電連接耦合到一個或多個外部控制裝置188。外部控制裝置188可能是製造設備的一台計算機或伺服器上的數據庫或監控應用程式，或可能是一特定製造設備的一控制單元。如此處所描述的，在一些實施例中電纜190可能是一個兩芯電纜，微控制器186可以通過該兩芯電纜以對應於超音波探針100所測得容器159內的液位的一“階梯形類比輸出”或量化輸出進行通信。在採用12個 超音波感測器156和階梯形類比輸出的實施方案中，例如一階梯形類比輸出電流，階梯形類比輸出電流可以是下表1所示者：

在一替代性實施方案中，控制器109可能提供一 個標準化通信鏈路(例如乙太網路)將控制器109連接到其他電腦，伺服器或製造工廠內的控制器，以進行在一個或多個容器內液位的遠程監控。在這樣的實施方案中，控制器109可以簡單地進行容器內估計液位的通信，可以報告該超音波感測器156中的那一個偵測到液體，可以報告各超音波感測器156的狀態，或它們的一些組合。在這樣的實施方案中，微控制器186可以與一通信模組塊通信以標準化通信鏈路的格式提供數據(例如，乙太網路通信模組，以將來自微控制器186的數據格式化成乙太網路數據包)。

儘管本發明的原理已經關聯較佳具體實施例做了描述，但是咸能清楚了解此描述僅以示範方式完成而且不得視為本發明範疇的限制。

104‧‧‧可撓性連接器

114‧‧‧側壁

144‧‧‧導管

146‧‧‧內部容積

156a‧‧‧超音波感測器

157‧‧‧密封裝配組合件

158‧‧‧配線

159‧‧‧容器

168‧‧‧空心柱

180‧‧‧電纜屏蔽

181‧‧‧導線

182‧‧‧導線

183‧‧‧導線

Claims (14)

1. 一種利用位於容器內的探針來確定和顯示在一容器內的流體的流體水平的方法，該探針具有多個位於一筒體內的超音波感測器，該多個感測器的每一個被設置在該容器內的不同的流體水平，該方法包含：(a)發送電脈波到該多個超音波感測器中的第一感測器；(b)響應於在步驟(a)發送的電脈波接收來自該第一感測器的電信號；(c)在一第一序列中對每一個該多個超音波感測器執行步驟(a)；(d)在第一頻率重複步驟(a)；(e)基於在步驟(b)中接收來自第一感測器的至少一個電信號決定第一感測器的狀態，該狀態係選自下列群組：乾狀態，濕狀態和任選的錯誤狀態，該濕狀態顯示在該第一感測器被設置的流體水平有該流體存在，在乾狀態顯示在該第一感測器被設置的流體水平不存在有該流體；(f)只有當至少一個預定的條件被滿足時，相較於緊接在前的步驟的執行所決定的狀態，改變第一感測器在步驟(e)所決定的狀態至一不同狀態；(g)在每個該多個超音波感測器執行步驟(e)和(f)；(h)重複步驟(g)；及(i)顯示通過(e)至步驟(g)所決定的每一個該多個超音波感測器的狀態的視覺指示， 其中該至少一個預定的條件包含在對該第一感測器執行一序列的步驟(b)中從該第一感測器接收到多個電信號均顯示相同的狀態。
2. 如請求項1的方法，其中該至少一個預定的條件包含在該第一感測器執行一序列的步驟(b)中在超過一預定期間從該第一感測器接收到多個電信號均顯示相同的狀態。
3. 如請求項2的方法，其中如果該第一感測器的狀態從濕狀態變為乾狀態時，該預定期間是一第一預定期間，如果該第一感測器的狀態從乾狀態改變到濕狀態時，該預定期間是一第二預定期間，該第一預定期間比該第二預定期間長。
4. 如請求項1的方法，還包含如果在該第一感測器的狀態的變化是從濕狀態到乾狀態只執行步驟(f)。
5. 如請求項2或3的方法，其中該預定期間是至少五秒鐘。
6. 如請求項1的方法，其中步驟(f)包含：如果從步驟(b)中接收的該第一感測器的電信號顯示其在乾狀態，和設在該第一感測器上方的多個感測器中的任何一個目前被決定為濕狀態時，決定該第一感測器的狀態為錯誤狀態。
7. 一種用於決定一容器內的流體水平的系統，該系統包含： 一控制器；一超音波探針包含一適於連接到該容器上的裝配組合件，一從裝配組合件向下延伸的筒體，和多個位於該筒體內的超音波感測器，該多個超音波感測器中的每一個被電連接到該控制器，並適於接收從控制器發送的電信號、響應於從該控制器發出的電子信號發射聲波、偵測聲波，及發送電子信號到該控制器顯示所偵測的聲波，該超音波探針被造形和架構成能被***到該容器中；及一被電連接至該控制器的顯示器；其中，該控制器可操作地架構成發送第一頻率的電脈波和在一第一序列中將該電脈波導向該多個超音波感測器中的每一個；其中，該控制器可操作地架構成基於來自該多個超音波感測器中的每一個所發射的電子信號決定該多個超音波感測器中的每一個的狀態，該狀態包含乾狀態及濕狀態，該濕狀態意味著接收自該多個超音波感測器中的一個感測器所發送的電子信號顯示該容器內的流體水平處於該感測器的位置或位於該位置的上方，乾狀態意味著接收自該多個超音波感測器中的一個感測器所發送的電子信號顯示在容器中的流體水平是在該感測器的位置的下方；其中，該控制器可操作地架構成使該顯示器提供該多個超音波感測器中的每一個的乾狀態或濕狀態的視覺指示；其中，該控制器可操作地架構成用於將該多個超音波感測器中的任一個的視覺指示從濕狀態改變成乾狀態，該改變只 有當從該多個超音波感測器中的該個感測器在一預定期間所有發送出的電信號均顯示該個超音波感測器為乾狀態時才進行，該預定期間足夠長以允許多個電脈波在該預定期間從該控制器被發送到該個超音波感測器。
8. 如請求項7的系統，其中，該狀態還包括一錯誤狀態，並且其中該控制器可操作架構成，如果位於該個超音波感測器上方的該多個超音波感測器中任何一個的狀態是濕狀態時，將該多個超音波感測器中的任何一個的視覺指示由乾狀態改變成錯誤狀態。
9. 如請求項7的系統，其中該筒體包含：一外管，其具有一上方開口，一下方部開口，一個側壁，以及設置在該側壁上的一側開口的；以及一耦合到該外管的內管，其包含一上方開口，一下方開口和一側壁，該內管的上方開口與該外管的側開口對齊，該內管的下方開口與該外管的下方開口對齊，其中該內管限定了一導管，其中一內部容積位於該內管的側壁和該外管的側壁之間，和該多個超音波感測器的至少一部分位於該內部容積內。
10. 如請求項7的系統，其中還包括一多導線遮蔽電纜，其包含一第一屏蔽，一第二屏蔽，以及多條導線，該第一屏蔽包含一外屏蔽，該多條導線的每一條被單獨絕緣但不單獨遮蔽。
11. 如請求項7的系統，其中該輸出是階梯形類比輸出。
12. 如請求項11的方法，其中該階梯形類比輸出具有一電流，該電流與該流體水平成正比。
13. 如請求項11的系統，其中該階梯形類比輸出具有一電壓，該電壓與該流體水平成正比。
14. 如請求項7的系統，其中該輸出是一個數位輸出，其與該流體水平成正比。