CN1985160A - 针对颗粒传感器系统的改进设计 - Google Patents

Abstract

本发明说明了一种在流体中检测颗粒的装置，该装置可以检测较小的颗粒而无需增加倍率和空间且可以廉价地实施。该装置利用了两个反射镜和一个光电二极管。光电二极管的壳体被加工形成所述两个反射镜中的一个。该两个反射镜具有特殊的位置，以使第二反射镜利用第一反射镜将因颗位偏转的光反射回光电二极管。

Description

针对颗粒传感器系统的改进设计

背景技术

一种用光检测流体中颗粒的装置，使用两个反射镜以将偏转光反射回一个检光装置且其中一个反射镜由检光装置的壳体形成。

由于半导体的尺寸小，在制造半导体时，关键是不允许颗粒沾污制造过程。小至1微米甚至更小的颗粒都会沾污制造过程。第一代半导体加工厂房使用了所谓的开放舞厅的概念。在这里，进行了保持整个厂房无颗粒的尝试。后来的每一代厂房均将清除颗粒的净化间设计得越来越小。加工厂房的最新设计具有所谓的微环境。这些环境仅足够容纳加工硅片的刀具。硅片在一个与刀具相连的容器中，通过一种类似于两个空间码头运输的工序在刀具间运输。其目的是排除颗粒进入晶片运输仓或刀具微环境的可能性。

为了阻止昂贵的硅片被颗粒污染，需要持续不断的监视刀具的微环境。刀具的微环境基本不大于容纳刀具所必要的空间。由于增加微环境的空间价格昂贵且半导体不断地变小，要求颗粒检测器可以检测出越来越小的颗粒却仍保持小尺寸。

图1示出了针对颗粒检测器的一种基本设计。各组件悬空以方便理解其相互间的关系。三个基本组件为一个光源10，一个检光装置20，及一个颗粒流源30。示出了三条分别垂直于三个基本组件的轴1、2、3。这些轴可以但不必须如欧氏几何中那样相互垂直。箭头31指示颗粒流的方向。箭头11指示光15的方向。在大多数相关技术中，光源10是一个激光器，检光装置20是一个光电二极管，并通过用一个常规泵(未示出)沿轴3推动或拉动颗粒得到颗粒流30。

在图1、3及5中，如光线跟踪所惯用的那样，用直线表示由光源10发出的光线15，并用小圆圈表示颗粒35。为了达到说明的目的，夸大了颗粒的尺寸。由颗粒源发出的具有一定速度的颗粒与光线15相交。观察区40对应颗粒流35和光线15的三维交点。如讨论颗粒检测器时惯用的那样，用一个球体表示观察区40。

下面说明一个如何检测颗粒的例子。为了阐述操作的基本方法，将使用一个光15的简单模型，这样可以使用光线跟踪。颗粒流35穿过观察区40，光线15撞击颗粒35。在图1中，第一光线101，第三光线103，第四光线104，及第五光线105与颗粒35相撞并发生散射。为了讨论的目的，这四束光线101、103、104、105将被称为散射光线101、103、104、105。第二光线102不与颗粒35相撞。大多数光15不会与颗粒35相碰撞且仅会穿过观察区40并沿轴1继续前进。在大多数相关技术中，光线15将会进入一个常见的光陷阱(未示出)。第四光线104将与检光装置20相碰撞；而第一光线101，第三光线103，第四光线104将不会与检光装置20相碰撞。

撞击检光装置20的第四光线104被用来定义撞击颗粒33的存在，并基于信号强度定义颗粒33的尺寸。对颗粒数量的精确计算及颗粒尺寸的精确测量是基于高于系统背景噪音的信号强度。信噪比越大，能够被检测到并被测量尺寸的颗粒越小。系统的噪声是由杂散光撞击检光装置20产生的。

通过检光装置20收集的在观察球内发生散射的光线101、103、104、105越多，颗粒检测器的灵敏度将越高。相关技术涉及通过重定向不命中检光装置20的散射光线，从而提高颗粒检测器纪录散射光线101、103、104、105的能力。这种重定向由反射镜实现。

基本原理为：检光装置20能够检测到的散射光线101、103、104、105越多，那么颗粒检测器的灵敏度越高，且对于一个由激光器10给定的灵敏度，颗粒检测器20所需要消耗的能量越少。

图2是一种改进的颗粒探测器的俯视图。在基本设计上增加了一个反射镜50，反射镜置于与检光装置20相对的一侧。颗粒流35在图2中并未示出，但是与纸面成直角进入纸内。光线15沿轴1行进并与观察区40内的颗粒相碰撞且发生散射。反射镜50将第十光线110、第十一光线111、第十二光线112，及第十三光线113这些不会命中检光装置20的光线反射至检光装置20上。这是通过将反射镜制成一个焦点位于观察区40且另一个焦点位于检光装置20的椭球面镜50实现的。这种配置依赖于椭球面镜50的由一个焦点51发出的光线15将会被椭球面镜反射至另一焦点52这一基本特性。

在图2中，第十六光线116及第十七光线117通过撞击颗粒35而发生散射且直接射向检光装置20。由于其既没有命中反射镜50也没有命中检光装置20，那些发生散射的但仍没有被收集的光线未被示出。通过从与检光装置20相对的一侧聚焦发生散射的第十光线110、第十一光线111、第十二光线112、第十三光线113，反射镜50改进了检光装置20处的信号强度。于1983年12月17日授予弗罗默的第4,422,761号美国专利阐明了这种观察区40位于椭球面镜的两个焦点51、52之一上的基本的单反射镜设计。

图2中的弗罗默的单椭球面镜设计的局限性在于第十四光线114及第十五光线115经颗粒35散射，却未被检测器20捕获20。这降低了颗粒传感器的灵敏度。这一问题的一种可行的解决方案是增大检光装置20的尺寸；然而，任何更大的检光装置20均价格昂贵且需要定制。

相关技术涉及通过与第一反射镜相对的第二反射镜反射第十四光线114和第十五光线115这些未命中的散射光线的方法。于1998年6月16日授予俞法的第5,767,967号美国专利阐述了一种相对椭球面镜的布置，如图2中，观察球40位于一个椭球面镜的焦点处。然而，该装置需要一个第二椭球面镜，该椭球面镜不仅价格昂贵还需要在检光装置20后方的空间。此外，该装置需要一种造价高昂的球面形的检光装置20。

第二椭球面镜附加的空间难以构建一个小型颗粒检测器。制造手持装置及在较大装置如硅片刀具中安装颗粒检测器均需要小型颗粒检测器。此外，由于在颗粒检测器壳体内没有足够的空间容纳此额外的空间，在检光装置20后方的第二椭球面镜所需的附加空间阻碍了现有的单反射镜检测器的升级。

这样，带来了对一种颗粒检测器的需求，这种颗粒检测器基于一面在其一个焦点具有一个观察区40的椭球面镜50，这种检测器具有一面造价不昂贵的第二反射镜且检测器的体积无需因容纳颗粒检测器而增加。此外，检测器不需要一个特殊的检光装置20。

发明内容

阐述了一种用于检测流体中颗粒的装置，该装置使用一个第一椭球面镜，椭球面镜的其中一个焦点处有一个观察球，另一个焦点处有一个检光装置。观察球是流体流和光相交处。光由一个常规激光器提供。装置的灵敏度与观察球中经颗粒散射后到达检光装置的光所占的百分比成比例。

使用了一个第二反射镜以增加到达检光装置的散射光的数量。该检光装置与第二反射镜平齐以使需要容纳颗粒检测器的体积最小化。第二反射镜通过使光通过第一反射镜的第一焦点反射回来，以使第一反射镜随后将光反射回检光装置来利用第一反射镜。

在优选的实施方式中，第一反射镜为椭球形，且其第一焦点在观察球的中心，第二焦点在检光装置处。第二反射镜为球面形，其半径或曲率半径中心在观察球的中心。这种布置允许第二反射镜利用第一反射镜将散射光送至检光装置并允许反射镜尽可能的紧凑。

在优选的实施方式中，通过将光电二极管的外壳加工成具有一个半径与第二反射镜表面与观察球之间的距离相等的适当的球面形，使得第二反射镜价格低廉。使用光电二极管的外壳为使额外空间最小化提供了可能且实现起来成本低廉。此外，还为现存的颗粒检测器与新的反射镜相配合提供了可能。

附图说明

图1示出了一种使用光的颗粒检测器的基本设计。

图2示出了一种使用一个椭球面镜的颗粒检测器的基本设计。

图3示出了本发明的基本结构。

图4示出了一个具有外壳的光电二极管以及一个本发明中的外壳加工成球面镜形的光电二极管。

图5示出了一个本发明的一种球面形第二反射镜及光线。

图6示出了没有光线的情况下本发明的一个球面形第二反射镜。

详细描述

图3说明了本发明的结构。这里第一反射镜50为椭球形；然而，如后而将要讨论的，也可采用一种内凹的球面反射镜。如图2中的那样，颗粒将一个第二反射镜55加入到图2的装置中。由于第二反射镜55将光线反射回第一反射镜50，第一反射镜随后将光线反射回检光装置20，这样，第二反射镜55在检光装置20一侧捕获了更多的散射光100。第十四光线114和第十五光线115示出了这一路径。如图2中所示，不能被检光装置20记录的第十四光线114及第十五光线115，却被反射回第一反射镜50，然后反射至检光装置20上。

第二反射镜55是一个内凹的球面反射镜，该球面反射镜的第一焦点在观察区40的中心且第二焦点在第一反射镜50的中心。通常使用物位置表示第一焦点56、像位置表示第二焦点的命名方式。只要第一焦点56位于第二反射镜55的曲率半径和第二反射镜55的焦点之间，这种配置都是可行的。这是凹球面反射镜的一种众所周知的物理特性。第一反射镜50的第一和第二焦点51、52并不随在观察区40中心处的第一焦点51以及在检光装置20处的第二焦点的变化而变化。这在当检光装置20被放置在与第二反射镜55基本平齐的位置时是可能的。可使检光装置20略微上升或略微凹进，而不改变系统的基本属性。

增加第二反射镜55可使装置的集光能力几乎加倍。本发明的设计所极其关注的问题是不增大现有颗粒检测器的尺寸并以很低的成本实现第二反射镜55。更进一步的目的是允许对现有颗粒检测器进行升级，以使其能够检测更小的颗粒。第二反射镜55允许现有颗粒检测器的设计在无需改变如电源等其他组件的情况下，检测到更小的颗粒。

如图4中所示的，在优选的实施方式中，这些目的是通过将检光装置20的器座150加工为第二反射镜55来实现的，在该优选的实施方式中，器座是一个光电二极管20。图4示出了加工前的器座140和加工后的器座141。在加工后，器座150的内表面55会被涂成镜面。光电二极管20就置于镜面55的正下方。在优选的实施方式中，加工出的镜面是球面，其半径等于观察区40中心与光电二极管20表面器座150上一点之间的距离，这样第二反射镜55的两个焦点将在观察区40的中心。这是由于球面反射镜的如下良好的物理特性：由曲率中心发出的光线将被反射回曲率中心，其中球面反射镜的曲率中心是半径。

在图4中，光电二极管20自第二反射镜55略微凹进。这种配置最理想的是使用了光电二极管的器座140作为球面反射镜55。光电二极管20可放置在以下三个位置之一：与第二反射镜55平齐，高于第二反射镜55，或如优选的实施方式中那样低于第二反射镜55的反射面。如果光电二极管与第二反射镜55平齐，则球面反射镜55的曲率就由光电二极管20与第一椭球面镜55第一焦点51的距离来定义。可以略微改变光电二极管20与第二反射镜55的关系，以优化如器座140的完全使用、装置所需的体积、以及最小化第一椭球面镜50与第二球面镜55间缝隙等因素。

图5示出了针对优选的实施方式的焦点的配置。如图2和3那样，颗粒流35进入纸张并与光流15在观察球40相遇。第二十光线120、第二十一光线121、第二十二光线122、和第二十三光线123示出了由于反射镜50、55的形状和结构导致的这些光线所走的特殊路径。第二十光线120、第二十一光线121、第二十二光线122、和第二十三光线123在观察区40被从颗粒35散射开并直接反射穿过观察球40回到第一反射镜50，并且最后反射回检光装置20。光路是通过使第二反射镜55(即一个内凹的球面反射镜)的两个焦点均位于观察球40内，且使第一反射镜51的第一焦点51位于观察球40内、第一反射镜50的第二焦点52位于检光装置20(在优选的实施方式中为一光电二极管20)的表面来实现的。

图6是优选的实施方式的另一种图示，该图未示出光线15，这样能够更容易的看到反射镜50、55的焦点和形状。第一反射镜50比前面附图中的要大且清楚地示出了第一焦点51是如何包含在其三维形状之中的。颗粒流35和光流15均必须穿过第一反射镜50的外壁，因此需要第一反射镜50的侧壁有孔。第一反射镜50的第二焦点位于52处。这样，第一反射镜50将把观察区40发出的光线反射至光电二极管20。

可以看到第二反射镜55在其中心具有光电二极管20。第二反射镜为球面形，其半径长度从光电二极管20到第一反射镜50的第一焦点51。此曲率意味着由第二反射镜55反射来的光线15将穿过观察球40或第一反射镜50的第一焦点51，被直接反射回。

然后第二反射镜55有效利用第一反射镜50将光线反射回光电二极管20。这种配置允许使用最小的空间收集未被第一反射镜50反射的光线15。

优选的实施方式可以检测更小的颗粒，而无需增加其倍率或空间并可廉价的实施。此外，也可用来经济地升级现有的颗粒传感器。

在优选的实施方式中，第一反射镜50是一个椭球形反射镜。首选椭球形是因为其具有一个从观察区40所在的第一焦点51的正中心至检光装置20所在的第二焦点52的完美的焦距。另一方面，球面反射镜具有固有的像差且不能像椭球反射镜那样准确聚焦光线。这是球面反射镜的一个众所周知的物理特性。比较而言，球面形比椭球形的优势仅在第一焦点51的正中心。

一面凹球面镜可以替代第一反射镜50。在这种配置中，观察区40位于第一反射镜50的焦距及第一反射镜50的曲率中心之间。这意味着这种配置形成的像位置将位于第一反射镜50的曲率中心之外。一面凹反射镜是球体的一部分，且穿过球体中心并附于球面反射镜的正中心的线叫做主轴。两面球面反射镜的主轴会被按上文所述的配置那样进行调整。

在使用一面椭球面镜作为第一反射镜50的优选实施方式中，一个轴由第一反射镜50的两焦点51、52来定义。由第一反射镜50的两焦点51、52所定义的轴与第二反射镜55的主轴同轴。

通过对本发明的描述，应当理解，不背离本发明实质的各种改动和变体均可以实现本发明。本发明并不局限于上述的实施方式，并应当解释为所附的权利要求范围之内的任何或全部实施方式。

Claims (20)

1.一种颗粒传感器，包括：

一个检光装置；

一个与所述检光装置相关联的壳体；以及，

一个在所述壳体上的第一内凹反射面。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述检光装置被限制于所述壳体中。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述检光装置是一个光电二极管。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述反射面是金制的。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述检光装置凹进所述内凹的反射面之下。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述检光装置是凸起于所述第一内凹的反射面之上。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述检光装置形成所述内凹反射面的中心。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述反射面具有定义第一对称轴的一个第一焦点和一个第二焦点。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述检光装置位于所述第一对称轴的中心。

10.根据权利要求8所述的装置，还包括：

一个为内凹的椭球面形的第二反射面；其中，所述第二反射面具有定义一条第二对称轴的一个第一焦点和一个第二焦点，其中，所述第一对称轴及所述第二对称轴共轴。

11.根据权利要求10所述的装置，还包括：

一个装置，用于引导具有小颗粒的气流穿过所述第二反射面的所述第一焦点；以及，

一个装置，用于将光投射穿过所述第二反射面的所述第一焦点。

12.一种颗粒传感器，包括：

一个具有内凹形状的第一反射面；

其中所述第一反射面具有定义了一条第一对称轴的一个第一焦点和一个第二焦点；

一个具有内凹的椭球面形状的第二反射面；

其中所述第二反射面具有定义了一条第二对称轴的一个第一焦点和一个第二焦点；且，

其中所述第一对称轴及所述第二对称轴共轴。

13.根据权利要求12所述的装置，还包括：

一个装置，用于引导具有小颗粒的气流穿过所述第二反射面的所述第一焦点；以及，

一个装置，用于将光投射穿过所述第二反射面的所述第一焦点。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第二反射面的所述第二焦点位于所述第一反射面上的所述第一对称轴上。

15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第一反射镜的所述第一焦点与所述第二反射镜的所述第一焦点重合。

16.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第一反射镜的所述第二焦点在所述第一对称轴上与所述第二反射面相重合。

17.根据权利要求13所述的装置，其中，所述用于检光的装置位于所述第一反射镜上与所述第一对称轴重合的位置上。

18.根据权利要求13所述的装置，还包括：

一个与所述第一反射面相关联的检光装置；

其中所述反射面为球面；

其中所述检光装置位于所述第一对称轴的中心；

其中所述第一反射面的曲率半径等于所述第一对称轴上的所述检光装置与所述第二反射面的所述第一焦点间的距离。

19.根据权利要求1所述的装置进一步包括：

具有一条第二主轴的一个第二内凹球面反射面；

其中所述第一内凹反射面为球面，具有一条第一主轴；

其中所述第一主轴与所述第二主轴同轴；

一个装置，用于引导一种具有小颗粒的气流穿过所述第二反射面的第二主轴；

一个装置，用于将光投射穿过所述第二反射面的第二主轴与所述具有小颗粒的流体相交以定义一个第一交点；

其中所述第二内凹反射面的所述第一交点的像位置位于所述检光装置的中心；以及

其中所述第一内凹反射面的曲率半径等于所述第一交点和所述第一内凹反射面同所述第一主轴相交处之间的距离。

20.根据权利要求1所述的装置，还包括：一个第二反射面，具有内凹形形状，以将光反射回相对的所述第一内凹反射面。

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