JP2013181983A - Dust sensor - Google Patents

Dust sensor Download PDF

Info

Publication number
JP2013181983A
JP2013181983A JP2013038248A JP2013038248A JP2013181983A JP 2013181983 A JP2013181983 A JP 2013181983A JP 2013038248 A JP2013038248 A JP 2013038248A JP 2013038248 A JP2013038248 A JP 2013038248A JP 2013181983 A JP2013181983 A JP 2013181983A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
dust sensor
unit
detection unit
flow path
cantilever
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2013038248A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6153127B2 (en
Inventor
Isao Shimoyama
下山  勲
Kiyoshi Matsumoto
松本  潔
Tetsuro Suga
哲朗 菅
Hidetoshi Takahashi
英俊 高橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Tokyo NUC
Original Assignee
University of Tokyo NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Tokyo NUC filed Critical University of Tokyo NUC
Publication of JP2013181983A publication Critical patent/JP2013181983A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6153127B2 publication Critical patent/JP6153127B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact dust sensor.SOLUTION: A dust sensor 1 includes a detection unit 2 and a circuit unit electrically connected to the detection unit 2. The detection unit 2 has an elastically deformable cantilever unit 7 which has a piezoresistive layer 10 formed thereon. The circuit unit measures changes in resistance in a resonance frequency range of the cantilever unit 7.

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.

Makynen et al 1982,Allen 1996, Binnig, et al, 2007Makynen et al 1982, Allen 1996, Binnig, et al, 2007

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 non-patent document 1 can accurately measure the amount of suspended particles, an optical system is required, and thus there is a problem that the dust sensor becomes large.

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.

本実施形態に係る塵埃センサの全体構成を示す斜視図である。It is a perspective view showing the whole dust sensor composition concerning this embodiment. 検知部の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a detection part. 検知部の製造法を段階的に示す縦断面図であり、図3Aはピエゾ抵抗層を積層した状態、図3Bは隙間を形成した状態、図3Cは電極を形成した状態、図3Dは連通路を形成しカンチレバー部を形成した状態を示す図である。FIG. 3A is a longitudinal cross-sectional view showing a manufacturing method of a detection unit step by step, FIG. 3A is a state in which piezoresistive layers are stacked, FIG. 3B is a state in which a gap is formed, FIG. It is a figure which shows the state which formed and formed the cantilever part. 本実施形態に係る塵埃センサの使用状態を示す縦断面図であり、図4Aは気流がない状態、図4Bは気流によってカンチレバー部が変形した状態、図4Cは浮遊粒子がカンチレバー部に衝突した状態を示す図である。FIG. 4A is a longitudinal sectional view showing a usage state of the dust sensor according to the present embodiment, FIG. 4A is a state where there is no air flow, FIG. 4B is a state where the cantilever portion is deformed by the air flow, and FIG. FIG. 塵埃センサにより測定される抵抗変化率を示すグラフの一例である。It is an example of the graph which shows the resistance change rate measured by a dust sensor. 変位感度を測定する際に用いた装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the apparatus used when measuring displacement sensitivity. 変位感度の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of displacement sensitivity. 共振周波数を測定する際に用いた装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the apparatus used when measuring a resonant frequency. 共振周波数の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of resonance frequency. 気流速度を測定する際に用いた装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the apparatus used when measuring an airflow speed. 気流速度の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of an airflow velocity. 浮遊粒子数を測定する際に用いた装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the apparatus used when measuring the number of suspended particles. 浮遊粒子数の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the number of suspended particles. 浮遊粒子が受圧部に衝突する前から、衝突時、衝突した後までを撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed from before the collision before the collision of a floating particle to a pressure receiving part at the time of a collision. 図15Aは図14に示す写真と同期して測定した抵抗変化率の測定結果を示すグラフ、図15Bは浮遊粒子を含む気流速度と抵抗変化率との関係を調べた結果を示すグラフである。FIG. 15A is a graph showing the measurement result of the resistance change rate measured in synchronization with the photograph shown in FIG. 14, and FIG. 15B is a graph showing the result of examining the relationship between the air velocity including the suspended particles and the resistance change rate.

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 dust sensor 1 shown in FIG. 1 includes a main body 4 in which a flow path 3 is formed, and a detection unit 2 provided in the flow path 3. The flow path 3 is formed so that gas passes from the inlet 4 IN toward the outlet 4 OUT . In the case of this embodiment, the main body 4 consists of a cylindrical member, and the column-shaped flow path 3 is formed.

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 main body 4 is provided with a blower 5 at the outlet 4 OUT . The blower 5 draws gas from the inlet 4 IN of the flow path 3 into the flow path 3 and forms an air flow in the flow path 3.

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 detection unit 2 includes a cantilever unit 7. The cantilever portion 7 has a piezoresistive layer 10 and an electrode 12 formed on the surface.

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 cantilever part 7 has a flat plate-like pressure receiving part 8 and a pair of hinge parts 11 integrally formed at the base end of the pressure receiving part 8, and is fixed to the lumen of the flow path 3 in the hinge part 11. ing. Thereby, the detection part 2 is fixed so that the pressure receiving part 8 protrudes into the flow path 3.

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 pressure receiving portion 8 is arranged in a direction orthogonal to the air flow (in the direction of the arrow in the figure) from the inlet 4 IN to the outlet 4 OUT of the flow path 3. As a result, the air pressure contacts the surface of the pressure receiving portion 8 and the suspended particles 15 included in the air current collide.

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 cantilever part 7 is formed so that it can be elastically deformed around the hinge part 11 when the air current comes into contact with it or the suspended particles 15 included in the air current collide with the surface of the pressure receiving part 8. The hinge part 11 is electrically connected to the electrode 12.

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 electrode 12. The circuit unit supplies current to the piezoresistive layer 10 through the electrode 12 and detects an output signal output from the detecting unit 2, that is, a change in the resistance value of the piezoresistive layer 10. Preferably, the circuit unit includes an amplifier circuit that amplifies the output signal and a filter circuit that separates the output signal by frequency.

(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 detection part 2 is demonstrated with reference to FIG. First, an insulating layer 21 made of SiO 2 is formed on a substrate 20 made of Si, and a silicon layer 22 made of Si is formed on the insulating layer 21 to thereby form the substrate 20, the insulating layer 21, and the silicon layer. A SOI structure 23 composed of 22 is formed. The thickness (Si / SiO 2 / Si) of each layer of the SOI 23 can be set to 0.3 / 0.4 / 300 μm, for example, in order from the top. Next, an impurity is doped on the silicon layer 22 to form a piezoresistive layer 10 in which a part of the silicon layer 22 is an N-type or P-type semiconductor (FIG. 3A).

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 piezoresistive layer 10 on the SOI 23, and then the silicon layer 22 and a part of the piezoresistive layer 10 are etched (FIG. 3B). At this time, a resist (not shown) is further formed on a part of the upper surface of the metal layer 25.

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 cantilever part 7 is formed by etching the board | substrate 20 and the insulating layer 21 from the bottom face side (FIG. 3D).

(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 dust sensor 1 according to the present embodiment configured as described above will be described. The dust sensor 1 supplies current to the piezoresistive layer 10 through the electrode 12 and outputs an output signal. The output signal changes as the resistance value of the piezoresistive layer 10 changes. The resistance value of the piezoresistive layer 10 changes in proportion to the deformation amount of the cantilever portion 7. That is, when the deformation amount of the cantilever portion 7 is large, the absolute value of the resistance change rate becomes large.

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 cantilever section 7 is steady, that is, when the deformation is caused by an air current. On the other hand, when the deformation of the cantilever part 7 is caused by the collision of the suspended particles 15, the output signal has a pulse response and the frequency becomes high. The frequency in this case is a resonance frequency.

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 dust sensor 1 can measure the air velocity (flow rate) by measuring an output signal having a low frequency, and measure the number of suspended particles 15 by measuring the number of output signals in the resonance frequency region. be able to.

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 flow path 3, the cantilever part 7 of the dust sensor 1 is not deformed (FIG. 4A). At this time, the output signal output from the detector 2, that is, the resistance change rate is zero (FIG. 5 (i)).

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 inlet 4 IN to the outlet 4 OUT of the flow path 3 is formed by starting the blower 5 or the like, the cantilever part 7 and the piezoresistive layer 10 of the detection part 2 are pushed by the air current in the hinge part 11. Deforms (FIG. 4B). If it does so, the output signal output from the detection part 2 will change with the change of the resistance value of the piezoresistive layer 10 (FIG. 5 (ii)). The output signal in this case has a steady response and a low frequency because the cantilever part 7 is deformed by the contact of the airflow. The air velocity can be measured by measuring the absolute value of the output signal having a low frequency, that is, the resistance change rate.

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 particles 15 included in the airflow collide with the pressure receiving portion 8, the cantilever portion 7 and the piezoresistive layer 10 are deformed in the hinge portion 11 by the kinetic energy of the suspended particles 15 (FIG. 4C). If it does so, the output signal output from the detection part 2 will change with the change of the resistance value of the piezoresistive layer 10 (FIG.5 (iii)).

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 particles 15 is larger by the mass of the suspended particles 15 than the kinetic energy of the airflow. Therefore, the rate of change of the output signal caused by the collision of the suspended particles 15 contained in the air stream is larger than the rate of change of the output signal caused by the air stream.

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 particles 15 has a pulse response, and the frequency becomes the resonance frequency. Therefore, the dust sensor 1 can measure the number of suspended particles 15 by measuring the number of pulse responses in the resonance frequency region in the output signal.

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 dust sensor 1 can measure the flow rate and the number of suspended particles 15 included in the airflow with the detection unit 2 including the cantilever unit 7, and thus can be reduced in size compared to the conventional one.

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 dust sensor 1 can measure the change in resistance value caused by the air flow and the change in resistance value caused by the collision of the suspended particles 15 by separating the output signal by frequency using a filter circuit. Therefore, the dust sensor 1 can measure the flow rate and the number of suspended particles 15 included in the airflow at the same time with the single detection unit 2, and thus can be further downsized.

(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 cantilever portion 7 having a length of 250 μm, a width of 200 μm, and a thickness of 0.3 μm was manufactured and evaluated. The hinge portion 11 has a length of 50 μm and a width of 50 μm.

(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 apparatus 28 shown in FIG. The device 28 includes an actuator 29 formed of a piezo element. The actuator 29 is arranged so as to give a displacement to the tip of the cantilever part 7. The actuator 29 was reciprocated at an amplitude of 18 μm and a frequency of 300 mHz. A circuit was formed by using the piezoresistive layer 10 of the detector 2 as one of four resistors of a Wheatstone bridge circuit (not shown). Although not shown, the Wheatstone bridge circuit is connected to the oscilloscope via an amplifier circuit. The measurement result of the displacement sensitivity is shown in FIG. In FIG. 7, the vertical axis represents the resistance change rate ΔR / R × 10 −3 calculated from the output voltage, and the horizontal axis represents time (s). From the results shown in this figure, the displacement sensitivity is 1.44 × 10 −4 μm −1 as a result of dividing the amplitude 2.6 × 10 −3 of the resistance change rate by the amplitude 18 μm applied to the cantilever portion 7 by the actuator 29. And calculated.

(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 cantilever part 7 was measured using the apparatus 32 shown in FIG. The device 32 includes an actuator 30, an amplifier 33, a network analyzer 34, and a heterodyne interferometer 35. The heterodyne interferometer 35 is an interferometer that converts a phase of an interference fringe into a phase of an electric signal by measuring a frequency shift between two interfering lights and detecting the optical heterodyne. The detection unit 2 was installed on the actuator 30. The actuator 30 was vibrated from 10 Hz to 10 kHz by the network analyzer 34, and the vibration of the cantilever unit 7 of the detection unit 2 was measured by the heterodyne interferometer 35. The measurement results are shown in FIG. In FIG. 9A, the vertical axis indicates the output magnitude (dB), and the horizontal axis indicates the frequency (kHz). In FIG. 9B, the vertical axis represents phase (degree) and the horizontal axis represents frequency (kHz). From this figure, the resonance frequency of the cantilever part 7 was measured as 3.1 kHz.

(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 apparatus 37 shown in FIG. The apparatus 37 includes a linear stage 39 as a moving unit and a fixing unit 38 that fixes the detection unit 2 to the linear stage 39. Although not shown, the linear stage 39 is movably provided on a guide rail that is linearly provided on the base. Although not shown, the fixing unit 38 is provided with a bridge circuit and an amplifier circuit. The detection unit 2 is fixed so that the surface of the pressure receiving unit 8 is orthogonal to the moving direction of the linear stage 39. The length of the guide rail was 1800 mm.

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 linear stage 39 was moved at a constant speed from one end of the guide rail to the other end. The speed was increased from 0 to 2.5 m / s in steps of 0.25 m / s. The measurement results are shown in FIG. In FIG. 11, the vertical axis represents the resistance change rate ΔR / R × 10 −3 , and the horizontal axis represents the air flow velocity v (m / s). From this figure, it was confirmed that the resistance change rate was proportional to the air velocity. The straight line shown in this figure is represented by ΔR / R = 1.2 × 10 −3 v.

(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 particles 15 included in the airflow was measured using the device 42 shown in FIG. The device 42 includes a main body 4 made of an acrylic pipe having a diameter of 50 mm and a length of 150 mm, and a blower 5 attached to the outlet 4 OUT side of the main body 4. A honeycomb structure 43 was provided at the inlet 4 IN and the outlet 4 OUT of the main body 4 in order to rectify the airflow passing through the flow path 3. The detection unit 2 is arranged in the center in the length direction of the flow path 3 and in a direction orthogonal to the air flow (in the direction of the arrow in the figure) where the surface of the pressure receiving unit 8 is directed from the inlet 4 IN to the outlet 4 OUT of the flow path 3. did.

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。 Suspended particles 15 having a diameter of 35 μm were generated around the device 42 using a particle generator (not shown). As a result, the suspended particles 15 were stably introduced into the airflow passing through the flow path 3. The measurement results are shown in FIG. In FIG. 13, the vertical axis represents the resistance change rate ΔR / R × 10 −3 , and the horizontal axis represents time (s). As is clear from this figure, it was confirmed that the output signal includes a steady response and a pulse response. The steady response is a result of the cantilever portion 7 being deformed by the airflow. Using the result of the airflow velocity measurement (FIG. 11), the airflow velocity can be calculated as 1.0 m / s from the resistance change rate in the steady response.

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 particles 15, the cantilever portion 7 at the moment when the pulse-like response occurred was observed. FIG. 14 is a photograph taken from before the suspended particles 15 collide with the pressure receiving unit 8 until after the collision. The image was taken with a high-speed camera (VW-9000, Keyence) placed on the entrance side of the main unit 4. The frame rate was 10,000 fps (Frames Per Second). 14A is a photograph taken at a timing of 0.8 ms, (B) is 0.9 ms, (C) is 1.0 ms, (D) is 1.1 ms, and (E) is 1.2 ms. In FIG. 14, it can be confirmed that one suspended particle 15 collides with the upper right corner of the pressure receiving portion 8 at 1.0 ms.

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 cantilever part 7. From these results, it was confirmed that the collision of the suspended particles 15 generates a pulse-like response. Therefore, the number of suspended particles 15 can be measured by measuring the number of pulse responses in the resonance frequency region.

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 particles 15 were measured by the detector 2 for each air velocity. The measurement results are shown in FIG. 15B. In FIG. 15B, the vertical axis represents the rate of change ΔR / R × 10 −3 due to the suspended particles 15 and the air flow, and the horizontal axis represents the air flow velocity v (m / s). Each point represents the average resistance change rate in the measured pulse response, and the error bar represents the standard deviation. From this figure, it was confirmed that the resistance change rate increased in proportion to the air flow velocity. The approximate expression obtained using the least square method was ΔR / R = 2.0 × 10 −3 . From this result, it was confirmed that the kinetic energy of the suspended particles 15 was converted into the elastic energy of the cantilever part 7 according to the law of energy conservation. Further, from the above result, the mass of the suspended particles 15 can be calculated.

(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 SYMBOLS 1 Dust sensor 2 Detection part 3 Flow path 5 Blower 7 Cantilever part 10 Piezoresistive layer 15 Airborne particle

Claims (5)

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.
前記回路部は、
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.
前記気体が通過する流路を備え、
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.
前記流路の出口に送風機が設けられており、前記流路の入口から前記空気を引き込み前記流路内に気流を形成することを特徴とする請求項3記載の塵埃センサ。 The dust sensor according to claim 3, wherein a blower is provided at an outlet of the flow path, and draws the air from an inlet of the flow path to form an air flow in the flow path. 前記検知部は、基台上を移動可能な移動部に設けられていることを特徴とする請求項1又は2記載の塵埃センサ。   The dust sensor according to claim 1, wherein the detection unit is provided in a moving unit that is movable on a base.
JP2013038248A 2012-03-02 2013-02-28 Dust sensor Active JP6153127B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201261605904P 2012-03-02 2012-03-02
US61/605,904 2012-03-02

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013181983A true JP2013181983A (en) 2013-09-12
JP6153127B2 JP6153127B2 (en) 2017-06-28

Family

ID=49272701

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013038248A Active JP6153127B2 (en) 2012-03-02 2013-02-28 Dust sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6153127B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019037042A1 (en) * 2017-08-24 2019-02-28 Honeywell International Inc. Airflow control for particulate sensor

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102027673B1 (en) * 2018-01-09 2019-10-01 이종덕 Chamber forfine dust measuring device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0170119U (en) * 1987-10-28 1989-05-10
JP2005114412A (en) * 2003-10-03 2005-04-28 Canon Inc Method of acquiring information of fluid flow
JP2012145356A (en) * 2011-01-07 2012-08-02 Univ Of Tokyo Flow velocity sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0170119U (en) * 1987-10-28 1989-05-10
JP2005114412A (en) * 2003-10-03 2005-04-28 Canon Inc Method of acquiring information of fluid flow
JP2012145356A (en) * 2011-01-07 2012-08-02 Univ Of Tokyo Flow velocity sensor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019037042A1 (en) * 2017-08-24 2019-02-28 Honeywell International Inc. Airflow control for particulate sensor

Also Published As

Publication number Publication date
JP6153127B2 (en) 2017-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5367925B1 (en) Pressure sensor using MEMS resonator
US20060207317A1 (en) Scanning probe microscope
US20060053890A1 (en) Capacitance type acceleration sensor
US9709596B2 (en) Acceleration sensor and method for producing an acceleration sensor
SE462631B (en) MINIATURIZED PRESSURE SENSOR FOR PHYSIOLOGICAL SEATS IN SITU
JP6153127B2 (en) Dust sensor
JP2005338094A (en) Gas gauge proximity sensor and measurement method
CN104406526B (en) Pulse micro displacement sensor and displacement measuring method thereof
JP2006322935A (en) Pressure sensor
US20070158554A1 (en) Probe for probe microscope using transparent substrate, method of producing the same, and probe microscope device
KR20190094736A (en) Device and system for identifying fine dust
Tang et al. High aspect-ratio low-noise multi-axis accelerometers made from thick silicon
JP2011080854A (en) Fourier transform spectroscope
US20230048120A1 (en) Resonant sensor using mems resonator, and detection method by resonant sensor
Zylka et al. Vortex anemometer using MEMS cantilever sensor
Epp et al. A base excitation test facility for dynamic testing of microsystems
Hall et al. Surface and bulk-silicon-micromachined optical displacement sensor fabricated with the SwIFT-Lite™ process
CN109855791B (en) Vacuum detection device based on multi-folding supporting beam comb resonator
KR101097768B1 (en) Micro force sensor and micro force measurement method using double ended fork vibration
Horowitz et al. A wafer-bonded, floating element shear-stress sensor using a geometric moire optical transduction technique
Xiao et al. A temperature self-calibrating torsional accelerometer with fully differential configuration and integrated reference capacitor
JP2004028793A (en) Device for measuring physical property of thin film
JP2012233779A (en) Surface plasmon resonance (spr) sensor and inspection system mounting spr sensor
TWI642939B (en) Optical system for detecting cantilever deformation and applications thereof
JP2019137049A5 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160202

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20161226

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170110

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170228

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170516

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170523

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6153127

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350