JP2013181983A - Dust sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、塵埃センサに関するものである。 The present invention relates to a dust sensor.
塵埃センサは、例えばクリーンルームなどで使用されている。クリーンルームは、浮遊粒子濃度が制御されており室内における浮遊粒子の流入、生成及び停滞を最小限にするように設けられている。クリーンルームにおいては、清浄度クラスを維持するため、塵埃センサによって微小粒子の量を測定することが必要である。 The dust sensor is used in a clean room, for example. The clean room has a controlled suspended particle concentration and is provided to minimize the inflow, generation and stagnation of suspended particles in the room. In a clean room, it is necessary to measure the amount of fine particles with a dust sensor in order to maintain the cleanliness class.
従来、光学系と、気体が通過する流路とを備える塵埃センサが開示されている(例えば、非特許文献1)。光学系は、レーザー光を出射する発光部と、レーザー光を集束する集束レンズと、レーザー光を受光するフォトダイオードとを有する。流路には真空ポンプによって気体が引き込まれ、これにより流路内に気流が形成される。浮遊粒子が気流と共に流路内を通過すると、浮遊粒子がレーザー光を遮断又は散乱させる。このように浮遊粒子によってレーザー光が遮断又は散乱した状態をフォトダイオードで検出することによって、浮遊粒子の量を測定する。浮遊粒子の濃度は、真空ポンプによって吸引された気体の流量と、フォトダイオードで検出された浮遊粒子の数とにより、算出することができる。 Conventionally, a dust sensor including an optical system and a flow path through which gas passes is disclosed (for example, Non-Patent Document 1). The optical system includes a light emitting unit that emits laser light, a focusing lens that focuses the laser light, and a photodiode that receives the laser light. Gas is drawn into the flow path by a vacuum pump, thereby forming an air flow in the flow path. When the suspended particles pass through the flow path together with the air current, the suspended particles block or scatter the laser light. Thus, the amount of suspended particles is measured by detecting the state in which the laser beam is blocked or scattered by the suspended particles with a photodiode. The concentration of suspended particles can be calculated from the flow rate of the gas sucked by the vacuum pump and the number of suspended particles detected by the photodiode.
しかしながら上記非特許文献1では、正確に浮遊粒子の量を測定することができるものの、光学系を必要とするため、塵埃センサが大型化してしまうという問題がある。
However, although the
そこで本発明は、小型化することができる塵埃センサを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a dust sensor that can be miniaturized.
本発明に係る塵埃センサは、検知部と、前記検知部と電気的に接続された回路部とを備え、前記検知部は弾性変形可能なカンチレバー部を有し、前記カンチレバー部はピエゾ抵抗層が形成されており、前記回路部は、前記カンチレバー部の共振周波数領域の抵抗変化を測定することを特徴とする。 A dust sensor according to the present invention includes a detection unit and a circuit unit electrically connected to the detection unit, the detection unit includes an elastically deformable cantilever unit, and the cantilever unit includes a piezoresistive layer. The circuit part measures the resistance change in the resonance frequency region of the cantilever part.
本発明によれば、カンチレバー部を備えた検知部で気流に含まれる浮遊粒子の量を測定することができるので、従来に比べ小型化することができる。 According to the present invention, since the amount of suspended particles contained in the airflow can be measured by the detection unit including the cantilever unit, the size can be reduced as compared with the conventional case.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(全体構成) (overall structure)
図1に示す塵埃センサ1は、流路3が形成された本体4と、流路3内に設けられた検知部2とを備える。流路3は、入口4INから出口4OUTへ向かって気体が通過するように形成されている。本実施形態の場合、本体4は円筒状の部材からなり、円柱状の流路3が形成されている。
A
好ましくは、本体4は出口4OUTに送風機5が設けられる。送風機5は流路3の入口4INから気体を流路3内に引き込み、流路3内に気流を形成する。
Preferably, the
図2に示すように、検知部2は、カンチレバー部7を有する。カンチレバー部7には、表面にピエゾ抵抗層10と、電極12とが形成されている。
As shown in FIG. 2, the
カンチレバー部7は、平板状の受圧部8と当該受圧部8の基端に一体に形成された一対のヒンジ部11とを有し、当該ヒンジ部11において、流路3の内腔に固定されている。これにより検知部2は、受圧部8が流路3内に突出するように固定される。
The
受圧部8表面は、流路3の入口4INから出口4OUTに向かう気流(図中矢印方向)に対し直交する方向に配置される。これにより受圧部8表面には、気流が接触すると共に、当該気流に含まれる浮遊粒子15とが衝突する。
The surface of the
カンチレバー部7は、気流が接触したり、当該気流に含まれる浮遊粒子15が受圧部8表面に衝突したりすることにより、ヒンジ部11を中心に弾性変形し得るように形成されている。ヒンジ部11は、電極12に電気的に接続されている。
The
実際上、電極12には回路部(図示しない)が電気的に接続されている。回路部は、電極12を通じてピエゾ抵抗層10に電流を供給すると共に、検知部2から出力される出力信号、すなわちピエゾ抵抗層10の抵抗値の変化を検出する。好ましくは、回路部は出力信号を増幅するアンプ回路と、出力信号を周波数で分離するフィルタ回路とを有する。
In practice, a circuit portion (not shown) is electrically connected to the
(製造方法)
次に、検知部2の製造方法について図3を参照して説明する。まず、Siからなる基板20上にSiO2からなる絶縁層21を形成し、さらに、その絶縁層21の上部にSiからなるシリコン層22を形成することにより、基板20と絶縁層21とシリコン層22からなる積層構造のSOI23を形成する。SOI23の各層の厚さ(Si/SiO2/Si)は、例えば、それぞれ上から順に、0.3/0.4/300μmとすることができる。次いで、シリコン層22上に不純物をドーピングしてシリコン層22の一部をN型もしくはP型半導体としたピエゾ抵抗層10を形成する(図3A)。
(Production method)
Next, the manufacturing method of the
次に、SOI23上のピエゾ抵抗層10の上に金属層25をパターン形成し、その後、シリコン層22とピエゾ抵抗層10の一部をエッチングする(図3B)。なお、このとき、金属層25の上面には、さらにレジスト(図示しない)を一部に対して形成しておく。
Next, the metal layer 25 is patterned on the
その後、金属層25をさらにパターン形成し、レジスト(図示しない)が形成されていない部分を除去し、その後にレジストも除去することによって電極12を形成する(図3C)。そして、底面側から基板20と絶縁層21をエッチングすることにより、カンチレバー部7を形成する(図3D)。
Thereafter, the metal layer 25 is further patterned to remove a portion where a resist (not shown) is not formed, and then the resist is also removed to form the electrode 12 (FIG. 3C). And the
(作用及び効果)
次に、上記のように構成された本実施形態に係る塵埃センサ1の作用及び効果について説明する。塵埃センサ1は、電極12を通じて、ピエゾ抵抗層10に電流を供給すると共に、出力信号を出力する。出力信号は、ピエゾ抵抗層10の抵抗値の変化に伴い変化する。ピエゾ抵抗層10の抵抗値は、カンチレバー部7の変形量に比例して変化する。すなわち出力信号は、カンチレバー部7の変形量が大きいと、抵抗変化率の絶対値が大きくなる。
(Function and effect)
Next, the operation and effect of the
また出力信号は、カンチレバー部7の変形が定常的な場合、すなわち気流による変形の場合、周波数が低くなる。一方、出力信号は、カンチレバー部7の変形が浮遊粒子15の衝突による場合、パルス的な応答となり、周波数が高くなる。この場合の周波数は、共振周波数となる。
The output signal has a low frequency when the deformation of the
そうすると塵埃センサ1は、周波数が低い出力信号を測定することにより気流速度(流量)を測定することができると共に、共振周波数領域の出力信号の数を計測することにより浮遊粒子15の数を測定することができる。
Then, the
以下、具体的に説明する。流路3内に気流がない状態では、塵埃センサ1のカンチレバー部7は変形しない(図4A)。このとき検知部2から出力される出力信号、すなわち抵抗変化率は、ゼロである(図5(i))。
This will be specifically described below. In a state where there is no airflow in the
送風機5を起動するなどして流路3の入口4INから出口4OUTへ向かう気流が形成されると、検知部2のカンチレバー部7及びピエゾ抵抗層10がヒンジ部11において、気流に押され変形する(図4B)。そうすると、検知部2から出力される出力信号は、ピエゾ抵抗層10の抵抗値の変化に伴って変化する(図5(ii))。この場合の出力信号は、カンチレバー部7が気流の接触によって変形しているため、定常的な応答となり、周波数が低い。この周波数が低い出力信号の絶対値、すなわち抵抗変化率を測定することにより、気流速度を測定することができる。
When an air flow from the
さらに気流に含まれる浮遊粒子15が受圧部8に衝突すると、浮遊粒子15が持つ運動エネルギーによってカンチレバー部7及びピエゾ抵抗層10がヒンジ部11において、変形が生じる(図4C)。そうすると、検知部2から出力される出力信号は、ピエゾ抵抗層10の抵抗値の変化に伴って変化する(図5(iii))。
Further, when the suspended
浮遊粒子15が持つ運動エネルギーは、気流が持つ運動エネルギーに比べ、浮遊粒子15の質量の分だけ大きい。したがって当該気流に含まれる浮遊粒子15の衝突によって生じる出力信号の変化率は、気流によって生じる出力信号の変化率に比べ、大きくなる。
The kinetic energy of the suspended
また、浮遊粒子15の衝突によって生じる出力信号は、パルス的な応答となり、周波数が共振周波数となる。したがって塵埃センサ1は、出力信号における共振周波数領域のパルス的な応答の数を計測することにより、浮遊粒子15の数を測定することができる。
The output signal generated by the collision of the suspended
上記のように塵埃センサ1は、カンチレバー部7を備えた検知部2で流量と気流に含まれる浮遊粒子15の数とを測定することができるので、従来に比べ小型化することができる。
As described above, the
さらに塵埃センサ1は、出力信号をフィルタ回路によって周波数で分離することにより、気流によって生じた抵抗値の変化と、浮遊粒子15の衝突によって生じた抵抗値の変化とをそれぞれ測定することができる。したがって塵埃センサ1は、1つの検知部2で流量と気流に含まれる浮遊粒子15の数とを同時に測定することができるので、より小型化をすることができる。
Further, the
(実施例)
実際に、長さ250μm、幅200μm、厚さ0.3μmのカンチレバー部7を製造し、評価を行った。なお、ヒンジ部11は、長さ50μm、幅50μmとした。
(Example)
Actually, a
(変位感度測定)
図6に示す装置28を用いて、変位感度を測定した。装置28は、ピエゾ素子で形成されたアクチュエータ29を備える。当該アクチュエータ29は、カンチレバー部7の先端に変位を与え得るように配置される。アクチュエータ29は、振幅18μm、周波数300mHzで往復運動させた。検知部2のピエゾ抵抗層10をホイーストンブリッジ回路(図示しない)の4つの抵抗の1つとして回路を形成した。ホイーストンブリッジ回路は、図示しないが、アンプ回路を介してオシロスコープに接続されている。変位感度の測定結果を図7に示す。図7は、縦軸が出力電圧から算出した抵抗変化率ΔR/R×10−3を示し、横軸が時間(s)を示す。本図に示す結果から変位感度は、抵抗変化率の振幅2.6×10−3を、アクチュエータ29でカンチレバー部7に与えた振幅18μmで除した結果、1.44×10−4μm−1と算出された。
(Displacement sensitivity measurement)
Displacement sensitivity was measured using the
(共振周波数測定)
図8に示す装置32を用いて、カンチレバー部7の共振周波数を測定した。装置32は、アクチュエータ30、アンプ33、ネットワークアナライザ34、ヘテロダイン干渉計35を備える。ヘテロダイン干渉計35は、干渉する二つの光の間に周波数偏移を与え、光ヘテロダイン検出することによって、干渉縞の位相を電気信号の位相に変換して測定する干渉計である。検知部2はアクチュエータ30上に設置した。ネットワークアナライザ34により、アクチュエータ30を10Hzから10kHzまで振動させ、検知部2のカンチレバー部7の振動をヘテロダイン干渉計35で測定した。測定した結果を図9に示す。図9Aは、縦軸が出力の大きさ(dB)を示し、横軸が周波数(kHz)を示している。図9Bは、縦軸が位相(degree)、横軸が周波数(kHz)を示している。本図から、カンチレバー部7の共振周波数は3.1kHzと計測された。
(Resonance frequency measurement)
The resonance frequency of the
(気流速度測定)
図10に示す装置37を用いて、気流速度を測定した。装置37は、移動部としてのリニアステージ39と、検知部2をリニアステージ39に固定する固定部38とを備える。リニアステージ39は、図示しないが、基台上に直線的に設けられたガイドレール上を移動可能に設けられている。固定部38には、図示しないがブリッジ回路とアンプ回路とが設けられている。検知部2はリニアステージ39の移動方向に受圧部8の表面が直交するように固定されている。ガイドレールの長さは、1800mmとした。
(Airflow velocity measurement)
The air velocity was measured using the
リニアステージ39をガイドレールの一端から他端まで一定の速度で移動させた。速度は0〜2.5m/sまで0.25m/s刻みで増加させた。測定結果を図11に示す。図11は、縦軸が抵抗変化率ΔR/R×10−3を示し、横軸が気流速度v(m/s)を示す。本図から抵抗変化率は、気流速度に比例することが確認できた。本図に示す直線は、ΔR/R=1.2×10−3vで表される。
The
(浮遊粒子数の測定)
図12に示す装置42を用いて、気流に含まれる浮遊粒子15の数を測定した。装置42は、直径50mm、長さ150mmのアクリル製パイプからなる本体4と、本体4の出口4OUT側に取り付けられた送風機5とを備える。本体4の入口4IN及び出口4OUTには、流路3内を通過する気流を整流するため、ハニカム構造体43を設けた。検知部2は、流路3の長さ方向の中央であって、受圧部8表面が流路3の入口4INから出口4OUTに向かう気流(図中矢印方向)に対し直交する方向に配置した。
(Measurement of the number of suspended particles)
The number of suspended
粒子発生器(図示しない)を用いて装置42の周囲に直径35μmの浮遊粒子15を発生させた。これにより流路3内を通過する気流に安定的に浮遊粒子15を導入した。測定結果を図13に示す。図13は縦軸が抵抗変化率ΔR/R×10−3を示し、横軸が時間(s)を示す。本図から明らかなように、出力信号には、定常的な応答と、パルス的な応答とが含まれることが確認された。定常的な応答は気流によってカンチレバー部7が変形した結果である。上記気流速度測定の結果(図11)を用いて、この定常的な応答における抵抗変化率から気流速度は1.0m/sと算出することができる。
パルス的な応答が浮遊粒子15の衝突によって生じたことを確認するため、パルス的な応答が生じた瞬間におけるカンチレバー部7を観察した。図14は、浮遊粒子15が受圧部8に衝突する前から、衝突時、衝突した後までを撮影した写真である。本体4の入口側に配置したハイスピードカメラ(VW-9000、キーエンス)で撮影した。フレームレートは10,000fps(Frames Per Second)とした。図14(A)は0.8ms、(B)は0.9ms、(C)は1.0ms、(D)は1.1ms、(E)は1.2msのタイミングで撮影した写真である。図14において、1.0msのとき、1個の浮遊粒子15が受圧部8の右上隅に衝突していることが確認できる。
In order to confirm that the pulse-like response was generated by the collision of the suspended
上記写真と同期して測定した抵抗変化率を図15Aに示す。図15Aは、縦軸が抵抗変化率ΔR/R×10−3を示し、横軸が時間(ms)を示す。抵抗変化率は、気流による抵抗変化率(定常値)を差し引いた値とした。 FIG. 15A shows the resistance change rate measured in synchronization with the above photograph. In FIG. 15A, the vertical axis represents the resistance change rate ΔR / R × 10 −3 , and the horizontal axis represents time (ms). The resistance change rate was a value obtained by subtracting the resistance change rate (steady value) due to the airflow.
図15Aより、抵抗変化率の振幅は、1.2×10−3に達したことが確認できた。出力信号の周波数は、カンチレバー部7の共振周波数と同じ約3kHzであった。これらの結果から、浮遊粒子15の衝突がパルス的な応答を生成することが確認できた。したがって共振周波数領域のパルス的な応答の数を計測することにより浮遊粒子15の数を測定することができる。
From FIG. 15A, it was confirmed that the amplitude of the resistance change rate reached 1.2 × 10 −3 . The frequency of the output signal was about 3 kHz, which is the same as the resonance frequency of the
次いで、気流速度を0.5〜2.5m/sまで0.5m/s刻みで増加させ、気流速度毎に12〜26個の浮遊粒子15を検知部2で測定した。測定した結果を図15Bに示す。図15Bは、縦軸が浮遊粒子15と気流による抵抗変化率ΔR/R×10−3を示し、横軸が気流速度v(m/s)を示す。各点は測定されたパルス的な応答における抵抗変化率の平均を示し、エラーバーは標準偏差を示す。本図から、気流速度に比例して抵抗変化率が増加することが確認できた。最小二乗法を用いて求めた近似式は、ΔR/R=2.0×10−3であった。この結果から、浮遊粒子15の運動エネルギーが、エネルギー保存の法則により、カンチレバー部7の弾性エネルギーに変換されたことが確認できた。また上記結果から、浮遊粒子15の質量を算出することもできる。
Subsequently, the air velocity was increased from 0.5 to 2.5 m / s in 0.5 m / s increments, and 12 to 26 suspended
(変形例)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed within the scope of the gist of the present invention.
1 塵埃センサ
2 検知部
3 流路
5 送風機
7 カンチレバー部
10 ピエゾ抵抗層
15 浮遊粒子
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記検知部と電気的に接続された回路部と
を備え、
前記検知部は弾性変形可能なカンチレバー部を有し、
前記カンチレバー部はピエゾ抵抗層が形成されており、
前記回路部は、前記カンチレバー部の共振周波数領域の抵抗変化を測定する
ことを特徴とする塵埃センサ。 A detection unit;
A circuit unit electrically connected to the detection unit,
The detection unit has an elastically deformable cantilever unit,
The cantilever part is formed with a piezoresistive layer,
The dust sensor according to claim 1, wherein the circuit unit measures a resistance change in a resonance frequency region of the cantilever unit.
フィルタ回路を有し、
前記検知部の周囲を通過する気体の流量と、
前記気体に含まれる浮遊粒子の量と
を測定することを特徴とする請求項1記載の塵埃センサ。 The circuit section is
Having a filter circuit;
A flow rate of gas passing around the detection unit;
The dust sensor according to claim 1, wherein the amount of suspended particles contained in the gas is measured.
前記検知部は前記流路内に設けられた
ことを特徴とする請求項2記載の塵埃センサ。 A flow path through which the gas passes;
The dust sensor according to claim 2, wherein the detection unit is provided in the flow path.
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