JP3503931B2 - 微分型電気移動度分析器および微粒子処理装置 - Google Patents
微分型電気移動度分析器および微粒子処理装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は微分型電気移動度分
析器（ＤＭＡ：differential mobility analyzer）に係
り、とりわけ、粒径が１ｎｍ程度の微粒子（ナノ粒子）
の分析および分級に適した微分型電気移動度分析器およ
びそれを用いた微粒子処理装置に関する。
析器（ＤＭＡ：differential mobility analyzer）に係
り、とりわけ、粒径が１ｎｍ程度の微粒子（ナノ粒子）
の分析および分級に適した微分型電気移動度分析器およ
びそれを用いた微粒子処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、帯電した微粒子の電場中での
移動速度（電気移動度）の相違を利用して微粒子の粒径
を分析する装置として、微分型電気移動度分析器が知ら
れている（文献１（Knutson, E.O. and Whitby, K.T.
(1975). “Aerosol Classification by Electric Mobil
ity: Apparatus, Theory, and Applications,” J. Aer
osol Sci., vol.6, pp.453-460.）参照）。このような
微分型電気移動度分析器においては、微粒子の粒径を分
析する他、微粒子を粒径ごとに分級することも可能であ
り、粒径の揃った微粒子を堆積させて薄膜等を形成する
ことができる。現在、大規模な微粒子群の特性が粒径ご
とに研究されており、粒径が１ｎｍ程度の微粒子を用い
て良好な特性を有する新たな材料を生成することが期待
されている。
移動速度（電気移動度）の相違を利用して微粒子の粒径
を分析する装置として、微分型電気移動度分析器が知ら
れている（文献１（Knutson, E.O. and Whitby, K.T.
(1975). “Aerosol Classification by Electric Mobil
ity: Apparatus, Theory, and Applications,” J. Aer
osol Sci., vol.6, pp.453-460.）参照）。このような
微分型電気移動度分析器においては、微粒子の粒径を分
析する他、微粒子を粒径ごとに分級することも可能であ
り、粒径の揃った微粒子を堆積させて薄膜等を形成する
ことができる。現在、大規模な微粒子群の特性が粒径ご
とに研究されており、粒径が１ｎｍ程度の微粒子を用い
て良好な特性を有する新たな材料を生成することが期待
されている。
【０００３】なお、微分型電気移動度分析器としては、
上記文献１に記載されたものの他、現在までに各種のも
のが提案されている（文献２（Winklmayr, W., Reisch
l, G.P., Lindner, A.O., and Berner, A. (1991). “A
new electromobility spectrometer for the measurem
ent of aerosol size distributions in the size rang
e from 1 to 1000 nm,” J. Aerosol Sci., vol.22, p
p.289-296.）、文献３（Chen, D.-R., Pui, D.Y.H., Hu
mmes, D., Fissan, H., Quant, F.R. and Sem, G.J. (1
998). “Design and evaluation of a nanometer aeros
ol differentialmobility analyzer (Nano-DMA),” J.
Aerosol Sci., vol.29, pp.497-509.）、文献４（Seto,
T., Nakamoto, T., Okuyama, K., Adachi, M., Kuga,
Y. and Takeuchi, K. (1997). “Size Distribution Me
asuremento of Nanometer-Sized Aerosol Particles Us
ing DMA Under Low-Pressure Conditions,” J. Aeroso
l Sci., vol.28, pp.193-206.）、文献５（de Juan, L.
and Fernandez de la Mora, J. (1998). “High resol
ution size analysis of nanoparticles and ions:runn
ing a Vienna DMA of near optimal length at Reynold
s numbers up to 5000,” J. Aerosol Sci., vol.29, p
p.617-626.）、および文献６（Okuyama, K.,Shimada,
M., Okita, A., Otani, Y. and Cho, S.-J. (1998).
“Performanceevaluation of cluster-DMA with integr
ated electrometer and its application to ion mobil
ity measurements,” J. Aerosol Res. Japan, Vol.13,
pp.83-93.）参照）。
上記文献１に記載されたものの他、現在までに各種のも
のが提案されている（文献２（Winklmayr, W., Reisch
l, G.P., Lindner, A.O., and Berner, A. (1991). “A
new electromobility spectrometer for the measurem
ent of aerosol size distributions in the size rang
e from 1 to 1000 nm,” J. Aerosol Sci., vol.22, p
p.289-296.）、文献３（Chen, D.-R., Pui, D.Y.H., Hu
mmes, D., Fissan, H., Quant, F.R. and Sem, G.J. (1
998). “Design and evaluation of a nanometer aeros
ol differentialmobility analyzer (Nano-DMA),” J.
Aerosol Sci., vol.29, pp.497-509.）、文献４（Seto,
T., Nakamoto, T., Okuyama, K., Adachi, M., Kuga,
Y. and Takeuchi, K. (1997). “Size Distribution Me
asuremento of Nanometer-Sized Aerosol Particles Us
ing DMA Under Low-Pressure Conditions,” J. Aeroso
l Sci., vol.28, pp.193-206.）、文献５（de Juan, L.
and Fernandez de la Mora, J. (1998). “High resol
ution size analysis of nanoparticles and ions:runn
ing a Vienna DMA of near optimal length at Reynold
s numbers up to 5000,” J. Aerosol Sci., vol.29, p
p.617-626.）、および文献６（Okuyama, K.,Shimada,
M., Okita, A., Otani, Y. and Cho, S.-J. (1998).
“Performanceevaluation of cluster-DMA with integr
ated electrometer and its application to ion mobil
ity measurements,” J. Aerosol Res. Japan, Vol.13,
pp.83-93.）参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の微分型電気移動度分析器ではいずれも、微粒子
の粒径が１ｎｍ程度となると、（１）分級後に得られる
微粒子の量（スループット）、（２）分級後の微粒子の
粒径のばらつき（解像度）、（３）分級から処理（堆積
等）までの間での微粒子の損失等に関する性能が悪化
し、微粒子を用いて薄膜等を形成することができなくな
るという問題がある。
た従来の微分型電気移動度分析器ではいずれも、微粒子
の粒径が１ｎｍ程度となると、（１）分級後に得られる
微粒子の量（スループット）、（２）分級後の微粒子の
粒径のばらつき（解像度）、（３）分級から処理（堆積
等）までの間での微粒子の損失等に関する性能が悪化
し、微粒子を用いて薄膜等を形成することができなくな
るという問題がある。
【０００５】本発明者らは、このような状況の下で、粒
径が１ｎｍ程度の微粒子を用いて薄膜等の形成を可能に
する条件について研究を重ねた結果、上述したスループ
ットおよび解像度の問題に関して、微分型電気移動度分
析器の形状を規定する設計パラメータ（後述するＲ２−
Ｒ１，Ｒ１，Ｌ）を所定条件の下で適切に選択すること
により解決できることを見出した。
径が１ｎｍ程度の微粒子を用いて薄膜等の形成を可能に
する条件について研究を重ねた結果、上述したスループ
ットおよび解像度の問題に関して、微分型電気移動度分
析器の形状を規定する設計パラメータ（後述するＲ２−
Ｒ１，Ｒ１，Ｌ）を所定条件の下で適切に選択すること
により解決できることを見出した。
【０００６】また、上述した損失の問題に関して、微分
型電気移動度分析器による分級後の微粒子の取出し手法
を改良することにより、微粒子の損失を格段に少なくで
きることを見出した。
型電気移動度分析器による分級後の微粒子の取出し手法
を改良することにより、微粒子の損失を格段に少なくで
きることを見出した。
【０００７】本発明はこのような知見に基づいてなされ
たものであり、高スループット、高解像度および低損失
の分級および処理（堆積等）を実現し、粒径が１ｎｍ程
度の微粒子を用いて薄膜形成等の手法により新たな材料
を生成することを可能にする、微分型電気移動度分析器
および微粒子処理装置を提供することを目的とする。
たものであり、高スループット、高解像度および低損失
の分級および処理（堆積等）を実現し、粒径が１ｎｍ程
度の微粒子を用いて薄膜形成等の手法により新たな材料
を生成することを可能にする、微分型電気移動度分析器
および微粒子処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の原理
図３に示すように、微分型電気移動度分析器１は一般
に、内側電極３および外側電極２からなる二重円筒構造
を有し、外側電極２の内周面（半径Ｒ２）と内側電極３
の外周面（半径Ｒ１）との間には所定電圧Ｖが印加され
ている。また、外 側電極２には帯電した微粒子（帯電
微粒子）を内部に導入するための第１スリット４が設け
られ、内側電極３には第１スリット４から導入された帯
電微粒子を外部に取り出すための第２スリット５が設け
られている。なお、第１スリット４と第２スリット５と
は軸方向に所定距離（距離Ｌ）だけ離間して配置されて
いる。さらに、外側電極２の内周面と内側電極３の外周
面との間の空間には上方からシースガス（流量Ｑｓｈ）
が供給され、下方から余剰ガス（流量Ｑｅ）が排出され
る ようになっている。
に、内側電極３および外側電極２からなる二重円筒構造
を有し、外側電極２の内周面（半径Ｒ２）と内側電極３
の外周面（半径Ｒ１）との間には所定電圧Ｖが印加され
ている。また、外 側電極２には帯電した微粒子（帯電
微粒子）を内部に導入するための第１スリット４が設け
られ、内側電極３には第１スリット４から導入された帯
電微粒子を外部に取り出すための第２スリット５が設け
られている。なお、第１スリット４と第２スリット５と
は軸方向に所定距離（距離Ｌ）だけ離間して配置されて
いる。さらに、外側電極２の内周面と内側電極３の外周
面との間の空間には上方からシースガス（流量Ｑｓｈ）
が供給され、下方から余剰ガス（流量Ｑｅ）が排出され
る ようになっている。
【０００９】図３において、帯電微粒子が所定流量（流
量Ｑａ）のガスとともに外側電極２の第１スリット４か
ら導入されると、この導入された帯電微粒子は上方から
供給されるシースガスとともに軸方向下方に移動すると
ともに、外側電極２の内周面と内側電極３の外周面との
間に形成される電場の影響を受けて個々の帯電微粒子が
電気移動度Ｚｐに応じた速度で外側電極２側から内側電
極３側へ引き寄せられ る。そして、印加電圧Ｖに対応
する所定粒径の帯電微粒子のみが所定の軌跡を描いて内
側電極３の第２スリット５へ到達し、所定流量（流量Ｑ
ｓ）のガスととも に外部に取り出される。なお、全て
の微粒子が同一の電荷を有している場合には、取り出さ
れた微粒子の粒径が分級され、個々の微粒子は粒径Ｄｐ
（±ΔＤｐ）を有することとなる。
量Ｑａ）のガスとともに外側電極２の第１スリット４か
ら導入されると、この導入された帯電微粒子は上方から
供給されるシースガスとともに軸方向下方に移動すると
ともに、外側電極２の内周面と内側電極３の外周面との
間に形成される電場の影響を受けて個々の帯電微粒子が
電気移動度Ｚｐに応じた速度で外側電極２側から内側電
極３側へ引き寄せられ る。そして、印加電圧Ｖに対応
する所定粒径の帯電微粒子のみが所定の軌跡を描いて内
側電極３の第２スリット５へ到達し、所定流量（流量Ｑ
ｓ）のガスととも に外部に取り出される。なお、全て
の微粒子が同一の電荷を有している場合には、取り出さ
れた微粒子の粒径が分級され、個々の微粒子は粒径Ｄｐ
（±ΔＤｐ）を有することとなる。
【００１０】ここで、本発明は、微分型電気移動度分析
器１の形状を規定する設計パラメータＲ２−Ｒ１，
Ｒ１，Ｌを適切に選択するための選択条件を与えること
により、粒 径が１ｎｍ程度の微粒子の場合でもスルー
プットおよび解像度を向上させることも可能である。こ
の選択条件は、空間電荷の影響を表すパラメータＳｃ
と、ブラウン拡散の影響を表すパラメータσという２つ
のパラメータを導入することにより得られる。
器１の形状を規定する設計パラメータＲ２−Ｒ１，
Ｒ１，Ｌを適切に選択するための選択条件を与えること
により、粒 径が１ｎｍ程度の微粒子の場合でもスルー
プットおよび解像度を向上させることも可能である。こ
の選択条件は、空間電荷の影響を表すパラメータＳｃ
と、ブラウン拡散の影響を表すパラメータσという２つ
のパラメータを導入することにより得られる。
【００１１】以下、これら２つのパラメータＳｃ，σに
ついて詳細に説明する。なお、以下の説明において、Ｎ
は微粒子の数密度、ｅは電気素量、ε０は誘電率、νは
気体動粘性率、Ｒｅはレイノルズ数、Ｚｐ(Ｄｐ)は電気
移動度、Ｄ（Ｄｐ）は微粒子拡 散率、Ｄｐは微粒子の
粒径、Ｖは印加電圧である。また、Ｑａは第１スリット
から導入されるガスの流量、Ｑｓは第２スリットから取
り出されるガスの流量、Ｑｅは余剰ガスの流量、Ｑｓｈ
はシースガスの流量である。
ついて詳細に説明する。なお、以下の説明において、Ｎ
は微粒子の数密度、ｅは電気素量、ε０は誘電率、νは
気体動粘性率、Ｒｅはレイノルズ数、Ｚｐ(Ｄｐ)は電気
移動度、Ｄ（Ｄｐ）は微粒子拡 散率、Ｄｐは微粒子の
粒径、Ｖは印加電圧である。また、Ｑａは第１スリット
から導入されるガスの流量、Ｑｓは第２スリットから取
り出されるガスの流量、Ｑｅは余剰ガスの流量、Ｑｓｈ
はシースガスの流量である。
【００１２】［パラメータＳｃ］まず、空間電荷の影響
を表すパラメータＳｃについて説明する。
を表すパラメータＳｃについて説明する。
【００１３】微粒子を用いて新たな材料を生成するため
の代表的な方法は、基板上に微粒子を堆積させる方法で
ある。この方法において、微粒子を基板上の所定領域
（面積Ａ）に１層分だけ堆積させるのに必要とされる時
間ｔは、次式（７）により与えられる。
の代表的な方法は、基板上に微粒子を堆積させる方法で
ある。この方法において、微粒子を基板上の所定領域
（面積Ａ）に１層分だけ堆積させるのに必要とされる時
間ｔは、次式（７）により与えられる。
【数３】
【００１４】上式（７）の関係は、粒径Ｄｐ＝１，３，
１０ｎｍの微粒子を直径１ｍｍの円形領域にＱｓ＝１Ｓ
ＬＭ（standard liter per minute）のガスとともに導
入する場合を想定すると、図４のように表される。図４
に示すように、微粒子の典型的な数密度であるＮ＝１０
４ｃｍ−３では、微粒子の粒径Ｄｐ＝１０ｎｍの微粒子
を１層分だけ形成する場合でも数日が必要とされ、より
小さな粒径の微粒子では数週間が必要とされることが分
かる。このような期間は現実的ではなく、実用上は数層
分の堆積を数時間（できれば数分）で行う必要がある。
このため、微粒子の数密度Ｎはかなり大きくする必要が
あり、具体的には１０７ｃｍ−３以上（好ましく は１
０９ｃｍ−３以上）とする必要がある。
１０ｎｍの微粒子を直径１ｍｍの円形領域にＱｓ＝１Ｓ
ＬＭ（standard liter per minute）のガスとともに導
入する場合を想定すると、図４のように表される。図４
に示すように、微粒子の典型的な数密度であるＮ＝１０
４ｃｍ−３では、微粒子の粒径Ｄｐ＝１０ｎｍの微粒子
を１層分だけ形成する場合でも数日が必要とされ、より
小さな粒径の微粒子では数週間が必要とされることが分
かる。このような期間は現実的ではなく、実用上は数層
分の堆積を数時間（できれば数分）で行う必要がある。
このため、微粒子の数密度Ｎはかなり大きくする必要が
あり、具体的には１０７ｃｍ−３以上（好ましく は１
０９ｃｍ−３以上）とする必要がある。
【００１５】しかしながら、従来の微分型電気移動度分
析器では、微粒子の数密度Ｎを大きな値とすることがで
きず、微粒子の数密度Ｎを必要以上に大きくすると装置
が正確に動作しなくなり、信頼性のある分級を行うこと
ができなくなる。これは、微粒子の数密度Ｎを大きくす
ると、帯電した微粒子自体が形成する電場（空間電荷電
場）が大きくなり、印加電圧Ｖにより与えられる外部電
場に対して無視できない値となるためである。
析器では、微粒子の数密度Ｎを大きな値とすることがで
きず、微粒子の数密度Ｎを必要以上に大きくすると装置
が正確に動作しなくなり、信頼性のある分級を行うこと
ができなくなる。これは、微粒子の数密度Ｎを大きくす
ると、帯電した微粒子自体が形成する電場（空間電荷電
場）が大きくなり、印加電圧Ｖにより与えられる外部電
場に対して無視できない値となるためである。
【００１６】本発明では、このような空間電荷の影響を
表すパラメータとして、外部電圧に対する空間電荷電場
の比に相当するパラメータＳｃを導入する。このパラメ
ータＳｃは、物理的な現象を詳細に記述するものではな
いが、微粒子の数密度Ｎの大きさを高めることができる
微分型電気移動度分析器の設計パラメータを求める上で
は非常に有用なものである。
表すパラメータとして、外部電圧に対する空間電荷電場
の比に相当するパラメータＳｃを導入する。このパラメ
ータＳｃは、物理的な現象を詳細に記述するものではな
いが、微粒子の数密度Ｎの大きさを高めることができる
微分型電気移動度分析器の設計パラメータを求める上で
は非常に有用なものである。
【００１７】このパラメータＳｃは、図３に示すような
二重円筒型の微分型電気移動度分析器の場合には、次式
（８）（９）により与えられる。
二重円筒型の微分型電気移動度分析器の場合には、次式
（８）（９）により与えられる。
【数４】
【００１８】なお、上式（８）（９）において、印加電
圧Ｖおよびシースガスの流量Ｑｓｈは設計パラメータＲ
１，Ｒ２，Ｌに依存している（次式（１０）（１１）参
照）。
圧Ｖおよびシースガスの流量Ｑｓｈは設計パラメータＲ
１，Ｒ２，Ｌに依存している（次式（１０）（１１）参
照）。
【数５】
【００１９】従って、上式（１０）（１１）を上式
（８）（９）に代入すると、パラメータＳｃは最終的に
次式（１２）により与えられることとなる。
（８）（９）に代入すると、パラメータＳｃは最終的に
次式（１２）により与えられることとなる。
【数６】
【００２０】［パラメータσ］次に、ブラウン拡散の影
響を表すパラメータσについて説明する。
響を表すパラメータσについて説明する。
【００２１】微分型電気移動度分析器により分級される
微粒子の解像度はブラウン拡散の影響を受けることが知
られている（文献７（Kousaka, Y., Okuyama, K., Adac
hi,M. and Mimura, T. (1986). “Effect of Brownian
diffusion on electrical classification of ultrafin
e aerosol particles in differential mobility analy
zer,” J. Chem. Eng. Japan, vol.19, pp.401-407.）
参照）。
微粒子の解像度はブラウン拡散の影響を受けることが知
られている（文献７（Kousaka, Y., Okuyama, K., Adac
hi,M. and Mimura, T. (1986). “Effect of Brownian
diffusion on electrical classification of ultrafin
e aerosol particles in differential mobility analy
zer,” J. Chem. Eng. Japan, vol.19, pp.401-407.）
参照）。
【００２２】ここで、微分型電気移動度分析器において
ブラウン拡散の影響を考慮する単純なモデルはStolzenb
urgにより与えられている（文献８（Stolzenburg, M.R.
(1988). “in An Ultrafine Aerosol Size Distributi
on Measuring System,” Ph.D. Thesis, University of
Minnesota.）参照）。このモデルについては多数の実
験が行われており、粒径が１ｎｍ程度の微粒子において
も妥当するモデルであることが分かっている（上記文献
８および文献９（Zhang, S.-H. and Flagan, R.C., (19
96). “Resolution of the radial differential mobil
ity analyzer,” J. Aerosol Sci., vol.27, pp.1179-1
200.）参照）。
ブラウン拡散の影響を考慮する単純なモデルはStolzenb
urgにより与えられている（文献８（Stolzenburg, M.R.
(1988). “in An Ultrafine Aerosol Size Distributi
on Measuring System,” Ph.D. Thesis, University of
Minnesota.）参照）。このモデルについては多数の実
験が行われており、粒径が１ｎｍ程度の微粒子において
も妥当するモデルであることが分かっている（上記文献
８および文献９（Zhang, S.-H. and Flagan, R.C., (19
96). “Resolution of the radial differential mobil
ity analyzer,” J. Aerosol Sci., vol.27, pp.1179-1
200.）参照）。
【００２３】このモデルによれば、ある正規化された電
気移動度
気移動度
【数７】
の微粒子がＤＭＡから分級される確率Ω（Ｄｐ）は、次
式（１３）（１４）（１５）により与えられる。
式（１３）（１４）（１５）により与えられる。
【数８】
【００２４】なお、上式（１３）において、Ε（ｘ）は
エラー関数erf(x)を用いて次式（１６）により求められ
る。
エラー関数erf(x)を用いて次式（１６）により求められ
る。
【数９】
【００２５】ここで、上式（１３）から分かるように、
パラメータσは、微分型電気移動度分析器により分級さ
れる微粒子の解像度の影響を表している。このパラメー
タσは、図３に示すような二重円筒型の微分型電気移動
度分析器の場合には、次式（１７）により与えられる
（文献１０（Flagan, R.C., (1999). “Resolution ofa
n Ideal Differential Mobility Analyzer,” J. Aeros
ol Sci. in press.）参照）。
パラメータσは、微分型電気移動度分析器により分級さ
れる微粒子の解像度の影響を表している。このパラメー
タσは、図３に示すような二重円筒型の微分型電気移動
度分析器の場合には、次式（１７）により与えられる
（文献１０（Flagan, R.C., (1999). “Resolution ofa
n Ideal Differential Mobility Analyzer,” J. Aeros
ol Sci. in press.）参照）。
【数１０】
【００２６】以上の説明から分かるように、パラメータ
Ｓｃ，σはそれぞれ、上式（１２）（１７）により与え
られる。ここで、高スループットの分級を実現するため
には、上式（１２）で与えられるパラメータＳｃの値を
所定値以下に保って空間電荷効果の影響による電場の乱
れを抑えつつ、微粒子の数密度Ｎを上げる必要がある。
また、高解像度の分級を実現するためには、上式（１
７）で与えられるパラメータσの値を空気力学的な制限
の下で可能な限り小さくする必要がある。
Ｓｃ，σはそれぞれ、上式（１２）（１７）により与え
られる。ここで、高スループットの分級を実現するため
には、上式（１２）で与えられるパラメータＳｃの値を
所定値以下に保って空間電荷効果の影響による電場の乱
れを抑えつつ、微粒子の数密度Ｎを上げる必要がある。
また、高解像度の分級を実現するためには、上式（１
７）で与えられるパラメータσの値を空気力学的な制限
の下で可能な限り小さくする必要がある。
【００２７】具体的には、粒径Ｄｐが１ｎｍ程度の微粒
子の分級において高スループットを達成する場合にはＳ
ｃ≦０．０５（＝Ｓｃ０）であることが好ましく、高解
像度 を達成する場合にはσ≦０．０５（＝σ０）であ
ることが好ましい。
子の分級において高スループットを達成する場合にはＳ
ｃ≦０．０５（＝Ｓｃ０）であることが好ましく、高解
像度 を達成する場合にはσ≦０．０５（＝σ０）であ
ることが好ましい。
【００２８】ここで、Ｓｃ≦Ｓｃ０の条件の下で上式
（１２）を解くと、設計パラメータＲ ２−Ｒ１，Ｒ１，
Ｌが満たすべき範囲として、次式（１８）（１９）（２
０）が得られる。
（１２）を解くと、設計パラメータＲ ２−Ｒ１，Ｒ１，
Ｌが満たすべき範囲として、次式（１８）（１９）（２
０）が得られる。
【数１１】
【００２９】また、σ≦σ０の条件の下で上式（１７）
を解くと、Ｒ２−Ｒ１，Ｒ１，Ｌが満たすべき範囲とし
て、次式（２１）（２２）（２３）が得られる。
を解くと、Ｒ２−Ｒ１，Ｒ１，Ｌが満たすべき範囲とし
て、次式（２１）（２２）（２３）が得られる。
【数１２】
一例として、Ｒ１＝２５ｍｍ、Ｒｅ＝２２００、Ｄｐ＝
１ｎｍ、β＝０．１の場合を想定すると、上式（１８）
（１９）（２０）は次式（２４）（２５）のようにな
り、上式（２１）（２２）（２３）は次式（２６）（２
７）のようになる。なお、次式（２４）（２５）（２
６）（２７）の長さの単位はｍｍである。
１ｎｍ、β＝０．１の場合を想定すると、上式（１８）
（１９）（２０）は次式（２４）（２５）のようにな
り、上式（２１）（２２）（２３）は次式（２６）（２
７）のようになる。なお、次式（２４）（２５）（２
６）（２７）の長さの単位はｍｍである。
【数１３】
【００３０】図５（ａ）（ｂ）は上式（２４）（２５）
（２６）（２７）の関係を示す図であり、このうち図５
（ａ）はＬとＲ２−Ｒ１との関係を表す全体図、図５
（ｂ）は図５（ａ）に示すIIｂ部分の拡大図である。図
５（ａ）（ｂ）において、領域Ａ１は上式（２４）（２
５）の関係を満足する領域であり、この領域でＮ≧１０
９ ｃｍ−３の高スループットが達成される。また、領
域Ａ２は上式（２６）（２７）の関係を満足する領域で
あり、この領域で高解像度（粒径の偏差ΔＤｐが４％以
下）が達成される。なお、領域Ａ３は領域Ａ１および
領域Ａ２が重なり合った領域であり、この領域で高スル
ープットおよび高解像度の両方が達成される。なお、こ
の領域Ａ３は次式（２８）（２９）により表すことがで
きる。
（２６）（２７）の関係を示す図であり、このうち図５
（ａ）はＬとＲ２−Ｒ１との関係を表す全体図、図５
（ｂ）は図５（ａ）に示すIIｂ部分の拡大図である。図
５（ａ）（ｂ）において、領域Ａ１は上式（２４）（２
５）の関係を満足する領域であり、この領域でＮ≧１０
９ ｃｍ−３の高スループットが達成される。また、領
域Ａ２は上式（２６）（２７）の関係を満足する領域で
あり、この領域で高解像度（粒径の偏差ΔＤｐが４％以
下）が達成される。なお、領域Ａ３は領域Ａ１および
領域Ａ２が重なり合った領域であり、この領域で高スル
ープットおよび高解像度の両方が達成される。なお、こ
の領域Ａ３は次式（２８）（２９）により表すことがで
きる。
【数１４】
【００３１】このような原理に従って、後述する本発明
の実施の形態では、図１に示す微分型電気移動度分析器
（ＨＴ−ＤＭＡ（High Throughput DMA））において、
その設計パラメータをＲ１＝２５．０ｍｍ、Ｒ２−Ｒ１
＝２．５ｍｍ、Ｌ＝２．４ｍｍと した（図５（ｂ）の
ＨＴ−ＤＭＡのプロット参照）。なお、図５（ａ）
（ｂ）においては、比較のために、図１に示す微分型電
気移動度分析器（ＨＴ−ＤＭＡ）とともに、従来の他の
微分型電気移動度分析器、すなわちKnutson & Whitby
DMA（上記文献１参照）、Reishl DMA（上記文献２参
照）、nano-DMA（上記文献３参照）、RIKEN DMA
（上記文献４参照）、de la Mora DMA（上記文献５
参照）、cluster DMA（上記文献６参照）の６つの微
分型電気移動度分析器の 設計パラメータを同時にプロ
ットしている。
の実施の形態では、図１に示す微分型電気移動度分析器
（ＨＴ−ＤＭＡ（High Throughput DMA））において、
その設計パラメータをＲ１＝２５．０ｍｍ、Ｒ２−Ｒ１
＝２．５ｍｍ、Ｌ＝２．４ｍｍと した（図５（ｂ）の
ＨＴ−ＤＭＡのプロット参照）。なお、図５（ａ）
（ｂ）においては、比較のために、図１に示す微分型電
気移動度分析器（ＨＴ−ＤＭＡ）とともに、従来の他の
微分型電気移動度分析器、すなわちKnutson & Whitby
DMA（上記文献１参照）、Reishl DMA（上記文献２参
照）、nano-DMA（上記文献３参照）、RIKEN DMA
（上記文献４参照）、de la Mora DMA（上記文献５
参照）、cluster DMA（上記文献６参照）の６つの微
分型電気移動度分析器の 設計パラメータを同時にプロ
ットしている。
【００３２】解決手段
本発明は以上のような新規な知見に基づいてなされたも
のであり、その第１の解決手段として、帯電した微粒子
を内部に導入するための第１スリットを有する筒状の外
側電極と、前記外側電極内にて前記外側電極と同心軸状
に延びるとともに微粒子を外部に取り出すための第２ス
リットを有する筒状の内側電極とを備え、前記外側電極
と前記内側電極との間には帯電した微粒子が前記外側電
極側から前記内側電極側へ移動するよう所定電圧が印加
され、前記外側電極の前記第１スリットから導入された
微粒子はシースガスとともに移動し、その一部が前記内
側電極の前記第２スリットから取り出されるとともに残
りが余剰ガスとして排出され、前記外側電極および前記
内側電極はそれぞれ円形の断面を有する内周面および外
周面を有し、前記内周面および前記外周面の断面半径を
それぞれＲ２，Ｒ１とし、前記第１スリットと前記第２
スリットとの間の軸方向の距離をＬとしたときに、前記
Ｒ２−Ｒ１，Ｒ１，Ｌが、空間電荷の影響を表すパラメ
ータＳｃ０の下で、次式（３０）（３１）（３２）の関
係、すなわち、
のであり、その第１の解決手段として、帯電した微粒子
を内部に導入するための第１スリットを有する筒状の外
側電極と、前記外側電極内にて前記外側電極と同心軸状
に延びるとともに微粒子を外部に取り出すための第２ス
リットを有する筒状の内側電極とを備え、前記外側電極
と前記内側電極との間には帯電した微粒子が前記外側電
極側から前記内側電極側へ移動するよう所定電圧が印加
され、前記外側電極の前記第１スリットから導入された
微粒子はシースガスとともに移動し、その一部が前記内
側電極の前記第２スリットから取り出されるとともに残
りが余剰ガスとして排出され、前記外側電極および前記
内側電極はそれぞれ円形の断面を有する内周面および外
周面を有し、前記内周面および前記外周面の断面半径を
それぞれＲ２，Ｒ１とし、前記第１スリットと前記第２
スリットとの間の軸方向の距離をＬとしたときに、前記
Ｒ２−Ｒ１，Ｒ１，Ｌが、空間電荷の影響を表すパラメ
ータＳｃ０の下で、次式（３０）（３１）（３２）の関
係、すなわち、
【数１５】
（ここで、Ｎは微粒子の数密度、ｅは電気素量、ε０は
誘電率、νは気体動粘性率、Ｒｅはレイノルズ数、Ｚｐ
は電気移動度、Ｑａは前記第１スリットから導入される
ガスの流量、Ｑｓは前記第２スリットから取り出される
ガスの流量、Ｑ ｅは余剰ガスの流量、Ｑｓｈはシースガ
スの流量である）の関係を満足するよう設定されている
ことを特徴とする微分型電気移動度分析器を提供する。
誘電率、νは気体動粘性率、Ｒｅはレイノルズ数、Ｚｐ
は電気移動度、Ｑａは前記第１スリットから導入される
ガスの流量、Ｑｓは前記第２スリットから取り出される
ガスの流量、Ｑ ｅは余剰ガスの流量、Ｑｓｈはシースガ
スの流量である）の関係を満足するよう設定されている
ことを特徴とする微分型電気移動度分析器を提供する。
【００３３】なお、上述した第１の解決手段において、
前記パラメータＳｃ０はその値が０．０５以下であるこ
とが好ましい。また、前記Ｒ２−Ｒ１，Ｒ１，Ｌが、ブ
ラウン 拡散の影響を表すパラメータσ０の下で、前記
式（１）（２）（３）の関係とと もに次式（３３）
（３４）（３５）の関係、すなわち
前記パラメータＳｃ０はその値が０．０５以下であるこ
とが好ましい。また、前記Ｒ２−Ｒ１，Ｒ１，Ｌが、ブ
ラウン 拡散の影響を表すパラメータσ０の下で、前記
式（１）（２）（３）の関係とと もに次式（３３）
（３４）（３５）の関係、すなわち
【数１６】
（ここで、Ｄは微粒子拡散率である）の関係を満足する
よう設定されていることが好ましい。なお、前記パラメ
ータσ ０はその値が０．０５以下であることが好まし
い。
よう設定されていることが好ましい。なお、前記パラメ
ータσ ０はその値が０．０５以下であることが好まし
い。
【００３４】 本発明はその第２の解決手段として、帯
電した微粒子を内部に導入するための第１スリットを有
する筒状の外側電極と、前記外側電極内にて前記外側電
極と同心軸状に延びるとともに微粒子を外部に取り出す
ための第２スリットを有する筒状の内側電極と、前記内
側電極の前記第２スリットから取り出された微粒子を捕
集する捕集器とを備え、前記外側電極と前記内側電極と
の間には帯電した微粒子が前記外側電極側から前記内側
電極側へ移動するよう所定電圧が印加され、前記外側電
極の前記第１スリットから導入された微粒子はシースガ
スとともに移動し、その一部が前記内側電極の前記第２
スリットから取り出されるとともに残りが余剰ガスとし
て排出され、前記内側電極は前記第２スリットと連通す
るとともに前記内側電極と同心軸状に延びる微粒子取出
管を有し、前記捕集器は前記微粒子取出管の吹出口の直
下に配置された微粒子捕集部を有し、前記微粒子取出管
はその吹出口にガスの流れを絞り込むためのノズル部を
有し、このノズル部の先端部と前記微粒子捕集部との間
の距離が０．５〜１．５ｍｍ程度に設定されていること
を特徴とする微粒子処理装置を提供する。
電した微粒子を内部に導入するための第１スリットを有
する筒状の外側電極と、前記外側電極内にて前記外側電
極と同心軸状に延びるとともに微粒子を外部に取り出す
ための第２スリットを有する筒状の内側電極と、前記内
側電極の前記第２スリットから取り出された微粒子を捕
集する捕集器とを備え、前記外側電極と前記内側電極と
の間には帯電した微粒子が前記外側電極側から前記内側
電極側へ移動するよう所定電圧が印加され、前記外側電
極の前記第１スリットから導入された微粒子はシースガ
スとともに移動し、その一部が前記内側電極の前記第２
スリットから取り出されるとともに残りが余剰ガスとし
て排出され、前記内側電極は前記第２スリットと連通す
るとともに前記内側電極と同心軸状に延びる微粒子取出
管を有し、前記捕集器は前記微粒子取出管の吹出口の直
下に配置された微粒子捕集部を有し、前記微粒子取出管
はその吹出口にガスの流れを絞り込むためのノズル部を
有し、このノズル部の先端部と前記微粒子捕集部との間
の距離が０．５〜１．５ｍｍ程度に設定されていること
を特徴とする微粒子処理装置を提供する。
【００３５】 なお、上述した第２の解決手段におい
て、前記微粒子取出管と前記微粒子捕集部との間には前
記第２スリットから取り出された微粒子が前記ノズル部
を介して前記微粒子捕集部まで移動するよう所定電圧が
印加されていることが好ましい。
て、前記微粒子取出管と前記微粒子捕集部との間には前
記第２スリットから取り出された微粒子が前記ノズル部
を介して前記微粒子捕集部まで移動するよう所定電圧が
印加されていることが好ましい。
【００３６】ここで、本発明の第１の解決手段によれ
ば、微分型電気移動度分析器の形状を規定する設計パラ
メータＲ２−Ｒ１，Ｒ１，ＬがパラメータＳｃ０（およ
びパラメータσ０）の下で適切に設定されているので、
粒径が１ｎｍ程度の微粒子の場合で も、高スループッ
トおよび高解像度の分級を実現することができる。
ば、微分型電気移動度分析器の形状を規定する設計パラ
メータＲ２−Ｒ１，Ｒ１，ＬがパラメータＳｃ０（およ
びパラメータσ０）の下で適切に設定されているので、
粒径が１ｎｍ程度の微粒子の場合で も、高スループッ
トおよび高解像度の分級を実現することができる。
【００３７】また、本発明の第２の解決手段によれば、
内側電極と同心軸状に延びる微粒子取出管の直下に微粒
子補集部が配置されているので、微粒子取出管で集めら
れた分級後の微粒子を短時間にかつ直線的に移動させる
ことができ、移動経路中での微粒子の損失を最小限に抑
えることができる。
内側電極と同心軸状に延びる微粒子取出管の直下に微粒
子補集部が配置されているので、微粒子取出管で集めら
れた分級後の微粒子を短時間にかつ直線的に移動させる
ことができ、移動経路中での微粒子の損失を最小限に抑
えることができる。
【００３８】このため、粒径が１ｎｍ程度の微粒子の場
合でも粒径が揃った微粒子を効率良く処理（堆積等）さ
せることが可能となり、薄膜形成等の手法により新たな
材料を生成することができる。
合でも粒径が揃った微粒子を効率良く処理（堆積等）さ
せることが可能となり、薄膜形成等の手法により新たな
材料を生成することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１は本発明による微分型
電気移動度分析器および微粒子処理装置の一実施の形態
を示す図である。
施の形態について説明する。図１は本発明による微分型
電気移動度分析器および微粒子処理装置の一実施の形態
を示す図である。
【００４０】図１に示すように、微粒子処理装置１は、
微分型電気移動度分析器２１と、微分型電気移動度分析
器２１により分級された微粒子を捕集して基板２０上に
堆積させる静電捕集器２２とを備えている。
微分型電気移動度分析器２１と、微分型電気移動度分析
器２１により分級された微粒子を捕集して基板２０上に
堆積させる静電捕集器２２とを備えている。
【００４１】このうち、微分型電気移動度分析器２１
は、帯電した微粒子（帯電微粒子）を内部に導入するた
めの第１スリット４を有する外側電極２と、外側電極２
内にて外側電極２と同心軸状に延びるとともに帯電微粒
子を外部に取り出すための第２スリット５を有する内側
電極３とを備えている。ここで、第１スリット４は外側
電極２の内周面（半径Ｒ２）に沿って環状に設けられ、
第２スリット５は内側電極３の外周面（半径Ｒ１）に沿
って環状に設けられている。なお、第１スリット ４と
第２スリット５とは軸方向に所定距離（距離Ｌ）だけ離
間して配置されている。なおここでは、上述した原理に
従って、ε０＝８．８５４×１０−１２Ｆ／ｍ、ν＝
１．４２４×１０−５ｍ２／ｓ、Ｒｅ＝２２００、Ｄｐ
＝１ｎｍ、β＝０．１の下で、Ｒ１，Ｒ２，Ｌを選択
し、Ｒ１＝２５．０ｍｍ、Ｒ２−Ｒ１＝２．５ｍｍ、Ｌ
＝２．４ｍｍとした。
は、帯電した微粒子（帯電微粒子）を内部に導入するた
めの第１スリット４を有する外側電極２と、外側電極２
内にて外側電極２と同心軸状に延びるとともに帯電微粒
子を外部に取り出すための第２スリット５を有する内側
電極３とを備えている。ここで、第１スリット４は外側
電極２の内周面（半径Ｒ２）に沿って環状に設けられ、
第２スリット５は内側電極３の外周面（半径Ｒ１）に沿
って環状に設けられている。なお、第１スリット ４と
第２スリット５とは軸方向に所定距離（距離Ｌ）だけ離
間して配置されている。なおここでは、上述した原理に
従って、ε０＝８．８５４×１０−１２Ｆ／ｍ、ν＝
１．４２４×１０−５ｍ２／ｓ、Ｒｅ＝２２００、Ｄｐ
＝１ｎｍ、β＝０．１の下で、Ｒ１，Ｒ２，Ｌを選択
し、Ｒ１＝２５．０ｍｍ、Ｒ２−Ｒ１＝２．５ｍｍ、Ｌ
＝２．４ｍｍとした。
【００４２】ここで、第１スリット４には微粒子導入管
６が接続されており、外部に設けられた微粒子源（図示
せず）から帯電微粒子が供給されるようになっている。
また、第２スリット５には微粒子取出管１２が接続され
ている。なお、微粒子取出管１２は内側電極２と同心軸
状に延びており、その吹出口にガスの流れを絞り込むた
めのノズル部１２ａを有している。
６が接続されており、外部に設けられた微粒子源（図示
せず）から帯電微粒子が供給されるようになっている。
また、第２スリット５には微粒子取出管１２が接続され
ている。なお、微粒子取出管１２は内側電極２と同心軸
状に延びており、その吹出口にガスの流れを絞り込むた
めのノズル部１２ａを有している。
【００４３】また、外側電極２の上部には、外側電極２
の内周面と内側電極３の外周面との間の空間にシースガ
スを供給するためのシースガス導入管７が設けられると
ともに、シースガスの流れを整えるとともに不純物を除
去するための二枚の整流フィルタ８，８が取り付けられ
ている。なお、外側電極２の第１スリット４から導入さ
れた帯電微粒子はシースガス導入口７から供給されたシ
ースガスとともに軸方向下方に移動し、その一部が内側
電極２の第２スリット５から取り出されるとともに残り
が外側電極２の下部に設けられた余剰ガス排出管９から
余剰ガスとして排出されるようになっている。
の内周面と内側電極３の外周面との間の空間にシースガ
スを供給するためのシースガス導入管７が設けられると
ともに、シースガスの流れを整えるとともに不純物を除
去するための二枚の整流フィルタ８，８が取り付けられ
ている。なお、外側電極２の第１スリット４から導入さ
れた帯電微粒子はシースガス導入口７から供給されたシ
ースガスとともに軸方向下方に移動し、その一部が内側
電極２の第２スリット５から取り出されるとともに残り
が外側電極２の下部に設けられた余剰ガス排出管９から
余剰ガスとして排出されるようになっている。
【００４４】さらに、外側電極２および内側電極３はと
もに導体からなり、外側電極２が接地された状態で、内
側電極３には第１高圧源１０が接続されている。これに
より、外側電極２と内側電極３との間に所定電圧Ｖ１が
印加され、帯電微粒子が外筒電極２側から内筒電極３側
へ移動するようになっている。
もに導体からなり、外側電極２が接地された状態で、内
側電極３には第１高圧源１０が接続されている。これに
より、外側電極２と内側電極３との間に所定電圧Ｖ１が
印加され、帯電微粒子が外筒電極２側から内筒電極３側
へ移動するようになっている。
【００４５】なお、微粒子取出管１２にはモニタ用ガス
取出管１３が接続されており、外部に設けられた計数計
（図示せず）により分級後の微粒子の一部についてその
粒子数が計数されるようになっている。なお、このよう
な計数は、静電捕集器２２における基板２０上での微粒
子の堆積に伴って行われ、分級後の微粒子の数密度等を
測定することにより、校正やオンライン監視等が行われ
る。なお、モニタ用ガス取出管１３へのガスの取出し
は、基板２０上での微粒子の堆積と同時に行うことがで
きる他、基板２０上での微粒子の堆積が行われていない
タイミングで行うことも可能である。
取出管１３が接続されており、外部に設けられた計数計
（図示せず）により分級後の微粒子の一部についてその
粒子数が計数されるようになっている。なお、このよう
な計数は、静電捕集器２２における基板２０上での微粒
子の堆積に伴って行われ、分級後の微粒子の数密度等を
測定することにより、校正やオンライン監視等が行われ
る。なお、モニタ用ガス取出管１３へのガスの取出し
は、基板２０上での微粒子の堆積と同時に行うことがで
きる他、基板２０上での微粒子の堆積が行われていない
タイミングで行うことも可能である。
【００４６】一方、静電捕集器２２は、微分型電気移動
度分析器２１の微粒子取出管１２に接続されている。静
電捕集器２２は、基板２０を保持する基板保持部１４を
有し、この基板保持部１４は基板２０を載置する載置台
（微粒子捕集部）１４ａと、この載置台１４ａの下面を
支持する直線状の支持部１４ｂとを有している。このう
ち、基板２０が載置される載置台１４ａは、微粒子取出
管１２のノズル部１２ａの吹出口の直下に配置されてお
り、基板２０は微粒子取出管１２のノズル部１２ａから
導入された分級後の微粒子の流れに対して略直交するよ
う配置されている。
度分析器２１の微粒子取出管１２に接続されている。静
電捕集器２２は、基板２０を保持する基板保持部１４を
有し、この基板保持部１４は基板２０を載置する載置台
（微粒子捕集部）１４ａと、この載置台１４ａの下面を
支持する直線状の支持部１４ｂとを有している。このう
ち、基板２０が載置される載置台１４ａは、微粒子取出
管１２のノズル部１２ａの吹出口の直下に配置されてお
り、基板２０は微粒子取出管１２のノズル部１２ａから
導入された分級後の微粒子の流れに対して略直交するよ
う配置されている。
【００４７】ここで、基板保持部１４の支持部１４ｂは
上下方向に移動するマニピュレータ１５に接続されてお
り、微粒子取出管１２のノズル部１２ａに対して基板保
持部１４の載置台１４ａの上下方向の位置を位置決めす
ることができる。なおここでは、粒径が１ｎｍ程度の微
粒子の堆積の場合にはノズル部１２ａの先端部と載置台
１４ａとの距離は、例えば０．５〜１．５ｍｍ程度に設
定することが好ましい。
上下方向に移動するマニピュレータ１５に接続されてお
り、微粒子取出管１２のノズル部１２ａに対して基板保
持部１４の載置台１４ａの上下方向の位置を位置決めす
ることができる。なおここでは、粒径が１ｎｍ程度の微
粒子の堆積の場合にはノズル部１２ａの先端部と載置台
１４ａとの距離は、例えば０．５〜１．５ｍｍ程度に設
定することが好ましい。
【００４８】また、基板保持部１４は導体からなり、基
板保持部１４には第１高圧源１０よりも高圧な所定電圧
Ｖ２を印加することができる第２高圧源１１が接続され
ている。これにより、基板保持部１４の載置台１４ａと
微粒子取出管１２のノズル部１２ａとの間に所定電圧Ｖ
２−Ｖ１が印加され、第２スリット５から取り出された
帯電微粒子がノズル部１２ａを介して載置台１４ａまで
移動するようになっている。なお、載置台１４ａとノズ
ル部１２ａとの間の電位差Ｖ２−Ｖ１は、基板２０上で
の微粒子の堆積時の流れの条件、圧力および微粒子の粒
径に応じて例えば１００〜１０００Ｖの範囲で任意に設
定することができる。
板保持部１４には第１高圧源１０よりも高圧な所定電圧
Ｖ２を印加することができる第２高圧源１１が接続され
ている。これにより、基板保持部１４の載置台１４ａと
微粒子取出管１２のノズル部１２ａとの間に所定電圧Ｖ
２−Ｖ１が印加され、第２スリット５から取り出された
帯電微粒子がノズル部１２ａを介して載置台１４ａまで
移動するようになっている。なお、載置台１４ａとノズ
ル部１２ａとの間の電位差Ｖ２−Ｖ１は、基板２０上で
の微粒子の堆積時の流れの条件、圧力および微粒子の粒
径に応じて例えば１００〜１０００Ｖの範囲で任意に設
定することができる。
【００４９】なお、静電捕集器２２に導入されたガスは
堆積済みガス排出管１６を介して外部に排出されるよう
になっている。
堆積済みガス排出管１６を介して外部に排出されるよう
になっている。
【００５０】次に、図１および図２により、このような
構成からなる本実施の形態の作用について説明する。な
お、図２は図１に示す微粒子処理装置の作用を説明する
ための模式図である。
構成からなる本実施の形態の作用について説明する。な
お、図２は図１に示す微粒子処理装置の作用を説明する
ための模式図である。
【００５１】微粒子源（図示せず）から微粒子導入管６
を介して供給された帯電微粒子は、外側電極２に設けら
れた第１スリット４を介して、外側電極２の内周面と内
側電極３の外周面との間の空間に導入される。この導入
された帯電微粒子は、シースガス導入口７から供給され
るシースガスとともに軸方向下方に移動し、その一部が
内側電極２の第２スリット５から取り出されるとともに
残りが余剰ガス排出管９から余剰ガスとして排出され
る。
を介して供給された帯電微粒子は、外側電極２に設けら
れた第１スリット４を介して、外側電極２の内周面と内
側電極３の外周面との間の空間に導入される。この導入
された帯電微粒子は、シースガス導入口７から供給され
るシースガスとともに軸方向下方に移動し、その一部が
内側電極２の第２スリット５から取り出されるとともに
残りが余剰ガス排出管９から余剰ガスとして排出され
る。
【００５２】このとき、帯電微粒子は、外側電極２の内
周面と内側電極３の外周面との間の空間にて第１高圧源
１０により印加される電圧により形成される電場の影響
を受けて個々の微粒子が電気移動度Ｚｐに応じた速度で
外側電極２側から内側電極３へ引き寄せられる。そし
て、印加電圧Ｖ１に対応する所定粒径の微粒子のみが所
定の軌跡を描いて内側電極３の第２スリット５へ到達
し、外部に取り出される。
周面と内側電極３の外周面との間の空間にて第１高圧源
１０により印加される電圧により形成される電場の影響
を受けて個々の微粒子が電気移動度Ｚｐに応じた速度で
外側電極２側から内側電極３へ引き寄せられる。そし
て、印加電圧Ｖ１に対応する所定粒径の微粒子のみが所
定の軌跡を描いて内側電極３の第２スリット５へ到達
し、外部に取り出される。
【００５３】その後、このようにして内側電極３の第２
スリット５から取り出された帯電微粒子は、微粒子取出
管１２内を軸方向下方に落下し、ノズル部１２ａを介し
て静電捕集器２２に導入される。なお、静電捕集器２２
に導入された帯電微粒子は、第２高圧源１１および第１
高圧源１０により印加される電圧Ｖ２−Ｖ１により形成
される電場の影響を受けてノズル部１２ａから基板保持
部１４の載置台１４ａまで移動し、載置台１４ａ上に載
置された基板２０上に堆積する。なお、静電捕集器２２
に導入されたガスは堆積済みガス排出管１６を介して外
部に排出される。
スリット５から取り出された帯電微粒子は、微粒子取出
管１２内を軸方向下方に落下し、ノズル部１２ａを介し
て静電捕集器２２に導入される。なお、静電捕集器２２
に導入された帯電微粒子は、第２高圧源１１および第１
高圧源１０により印加される電圧Ｖ２−Ｖ１により形成
される電場の影響を受けてノズル部１２ａから基板保持
部１４の載置台１４ａまで移動し、載置台１４ａ上に載
置された基板２０上に堆積する。なお、静電捕集器２２
に導入されたガスは堆積済みガス排出管１６を介して外
部に排出される。
【００５４】このように本実施の形態によれば、微分型
電気移動度分析器２１の形状を規定する設計パラメータ
Ｒ２−Ｒ１，Ｒ１，Ｌが上述した原理に従って適切に設
定され ているので、粒径が１ｎｍ程度の微粒子の分級
において、高スループットおよび高解像度の分級を実現
することができる。具体的には、スループットを１０ ９
粒 子／ｃｍ３以上にすることが可能となり、解像度
（粒径の偏差ΔＤｐ）を４％以下とすることが可能とな
る。
電気移動度分析器２１の形状を規定する設計パラメータ
Ｒ２−Ｒ１，Ｒ１，Ｌが上述した原理に従って適切に設
定され ているので、粒径が１ｎｍ程度の微粒子の分級
において、高スループットおよび高解像度の分級を実現
することができる。具体的には、スループットを１０ ９
粒 子／ｃｍ３以上にすることが可能となり、解像度
（粒径の偏差ΔＤｐ）を４％以下とすることが可能とな
る。
【００５５】また本実施の形態によれば、内側電極３と
同心軸状に延びる微粒子取出管１２のノズル部１２の直
下に載置台１４ａが配置されているので、微粒子取出管
１２で集められた分級後の微粒子を基板２０上まで短時
間にかつ直線的に移動させることができ、移動経路中で
の微粒子の損失を最小限に抑えることができる。具体的
には、粒径が１ｎｍ程度の微粒子の場合でも、分級後の
微粒子の移動時間を５０ｍｓ程度（従来の１／２０程
度）にすることが可能となり、微粒子の損失を５０％以
下に抑えることが可能となる。
同心軸状に延びる微粒子取出管１２のノズル部１２の直
下に載置台１４ａが配置されているので、微粒子取出管
１２で集められた分級後の微粒子を基板２０上まで短時
間にかつ直線的に移動させることができ、移動経路中で
の微粒子の損失を最小限に抑えることができる。具体的
には、粒径が１ｎｍ程度の微粒子の場合でも、分級後の
微粒子の移動時間を５０ｍｓ程度（従来の１／２０程
度）にすることが可能となり、微粒子の損失を５０％以
下に抑えることが可能となる。
【００５６】このため本実施の形態によれば、粒径が１
ｎｍ程度の微粒子の場合でも粒径が揃った微粒子を効率
良く基板２０上に堆積させることが可能となり、薄膜形
成等の手法により新たな材料を生成することができる。
ｎｍ程度の微粒子の場合でも粒径が揃った微粒子を効率
良く基板２０上に堆積させることが可能となり、薄膜形
成等の手法により新たな材料を生成することができる。
【００５７】なお、上述した実施の形態においては、微
分型電気移動度分析器２１を静電捕集器２２とともに用
いているが、これに限らず、微粒子の粒径を分析する等
の目的のためにファラデーカップ電流計等の測定器と組
み合わせて用いることも可能である。また、上述した実
施の形態においては、静電捕集器２２にて微粒子を基板
２０上に堆積させているが、これに限らず、微粒子を用
いた各種の処理を行うことが可能である。
分型電気移動度分析器２１を静電捕集器２２とともに用
いているが、これに限らず、微粒子の粒径を分析する等
の目的のためにファラデーカップ電流計等の測定器と組
み合わせて用いることも可能である。また、上述した実
施の形態においては、静電捕集器２２にて微粒子を基板
２０上に堆積させているが、これに限らず、微粒子を用
いた各種の処理を行うことが可能である。
【００５８】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、微
分型電気移動度分析器の形状を規定する設計パラメータ
Ｒ２−Ｒ１，Ｒ１，ＬがパラメータＳｃ０（およびパラ
メータσ０ ）の下で適切に設定されているので、粒径
が１ｎｍ程度の微粒子の分級において、高スループット
および高解像度の分級を実現することができる。また、
内側電極と同心軸状に延びる微粒子取出管の直下に微粒
子補集部が配置されているので、微粒子取出管で集めら
れた分級後の微粒子を短時間にかつ直線的に移動させる
ことができ、移動経路中での微粒子の損失を最小限に抑
えることができる。このため、粒径が１ｎｍ程度の微粒
子の場合でも粒径が揃った微粒子を効率良く処理（堆積
等）させることが可能となり、薄膜形成等の手法により
新たな材料を生成することができる。
分型電気移動度分析器の形状を規定する設計パラメータ
Ｒ２−Ｒ１，Ｒ１，ＬがパラメータＳｃ０（およびパラ
メータσ０ ）の下で適切に設定されているので、粒径
が１ｎｍ程度の微粒子の分級において、高スループット
および高解像度の分級を実現することができる。また、
内側電極と同心軸状に延びる微粒子取出管の直下に微粒
子補集部が配置されているので、微粒子取出管で集めら
れた分級後の微粒子を短時間にかつ直線的に移動させる
ことができ、移動経路中での微粒子の損失を最小限に抑
えることができる。このため、粒径が１ｎｍ程度の微粒
子の場合でも粒径が揃った微粒子を効率良く処理（堆積
等）させることが可能となり、薄膜形成等の手法により
新たな材料を生成することができる。
【図１】本発明による微分型電気移動度分析器および微
粒子処理装置の一実施の形態を示す概略断面図。
粒子処理装置の一実施の形態を示す概略断面図。
【図２】図１に示す微粒子処理装置の作用を説明するた
めの模式図。
めの模式図。
【図３】微粒子の数密度と堆積時間との関係を示す図。
【図４】微分型電気移動度分析器の原理を説明するため
の図。
の図。
【図５】高スループットおよび高解像度の分級を実現す
るための微分型電気移動度分析器の設計パラメータの範
囲を示す図。
るための微分型電気移動度分析器の設計パラメータの範
囲を示す図。
１ 微粒子処理装置
２ 外側電極
３ 内側電極
４ 第１スリット
５ 第２スリット
６ 微粒子導入管
７ シースガス導入管
８ 整流フィルタ
９ 余剰ガス排出管
１０ 第１高圧源
１１ 第２高圧源
１２ 微粒子取出管
１２ａ ノズル部
１３ モニタ用ガス取出管
１４ 基板保持部
１４ａ 載置台（微粒子捕集部）
１４ｂ 支持部
１５ マニピュレータ
１６ 堆積済みガス排出管
２０ 基板
２１ 微分型電気移動度分析器
２２ 静電捕集器
フロントページの続き
(72)発明者 磯 村 昌 平
東京都練馬区豊玉北１−３−16
(56)参考文献 特開2000−282222（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−288600（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−288602（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 15/02
G01N 27/60
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (6)
- 【請求項１】帯電した微粒子を内部に導入するための第
１スリットを有する筒状の外側電極と、 前記外側電極内にて前記外側電極と同心軸状に延びると
ともに微粒子を外部に取り出すための第２スリットを有
する筒状の内側電極とを備え、 前記外側電極と前記内側電極との間には帯電した微粒子
が前記外側電極側から前記内側電極側へ移動するよう所
定電圧が印加され、前記外側電極の前記第１スリットか
ら導入された微粒子はシースガスとともに移動し、その
一部が前記内側電極の前記第２スリットから取り出され
るとともに残りが余剰ガスとして排出され、 前記外側電極および前記内側電極はそれぞれ円形の断面
を有する内周面および外周面を有し、前記内周面および
前記外周面の断面半径をそれぞれＲ２，Ｒ１とし、前記
第１スリットと前記第２スリットとの間の軸方向の距離
をＬとしたときに、前記Ｒ２−Ｒ１，Ｒ１，Ｌが、空間
電荷の影響を表すパラメータＳｃ０の下で、次式（１）
（２）（３）の関係、すなわち、 【数１】 （ここで、Ｎは微粒子の数密度、ｅは電気素量、ε０は
誘電率、νは気体動粘性 率、Ｒｅはレイノルズ数、Ｚ
ｐは電気移動度、Ｑａは前記第１スリットから導入され
るガスの流量、Ｑｓは前記第２スリットから取り出され
るガスの流量、Ｑｅは余剰ガスの流量、Ｑｓｈはシース
ガスの流量である）の関係を満足するよう設定されてい
ることを特徴とする微分型電気移動度分析器。 - 【請求項２】前記パラメータＳｃ０はその値が０．０５
以下であることを特徴とする請求項 １記載の微分型電
気移動度分析器。 - 【請求項３】前記Ｒ２−Ｒ１，Ｒ１，Ｌが、ブラウン拡
散の影響を表すパラメータσ０の下で、前記式（１）
（２）（３）の関係とともに次式（４）（５）（６）の
関係、すなわち 【数２】 （ここで、Ｄは微粒子拡散率である）の関係を満足する
よう設定されていることを特徴とする請求項１または２
記載の微分型電気移動度分析器。 - 【請求項４】前記パラメータσ０はその値が０．０５以
下であることを特徴とする請求項３ 記載の微分型電気
移動度分析器。 - 【請求項５】帯電した微粒子を内部に導入するための第
１スリットを有する筒状の外側電極と、 前記外側電極内にて前記外側電極と同心軸状に延びると
ともに微粒子を外部に取り出すための第２スリットを有
する筒状の内側電極と、 前記内側電極の前記第２スリットから取り出された微粒
子を捕集する捕集器とを備え、 前記外側電極と前記内側電極との間には帯電した微粒子
が前記外側電極側から前記内側電極側へ移動するよう所
定電圧が印加され、前記外側電極の前記第１スリットか
ら導入された微粒子はシースガスとともに移動し、その
一部が前記内側電極の前記第２スリットから取り出され
るとともに残りが余剰ガスとして排出され、 前記内側電極は前記第２スリットと連通するとともに前
記内側電極と同心軸状に延びる微粒子取出管を有し、前
記捕集器は前記微粒子取出管の吹出口の直下に配置され
た微粒子捕集部を有し、 前記微粒子取出管はその吹出口にガスの流れを絞り込む
ためのノズル部を有し、このノズル部の先端部と前記微
粒子捕集部との間の距離が０．５〜１．５ｍｍ程度に設
定されていることを特徴とする微粒子処理装置。 - 【請求項６】前記微粒子取出管と前記微粒子捕集部との
間には前記第２スリットから取り出された微粒子が前記
ノズル部を介して前記微粒子捕集部まで移動するよう所
定電圧が印加されていることを特徴とする請求項５記載
の微粒子処理装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22176099A JP3503931B2 (ja) | 1999-08-04 | 1999-08-04 | 微分型電気移動度分析器および微粒子処理装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22176099A JP3503931B2 (ja) | 1999-08-04 | 1999-08-04 | 微分型電気移動度分析器および微粒子処理装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001050886A JP2001050886A (ja) | 2001-02-23 |
| JP3503931B2 true JP3503931B2 (ja) | 2004-03-08 |
Family
ID=16771784
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22176099A Expired - Fee Related JP3503931B2 (ja) | 1999-08-04 | 1999-08-04 | 微分型電気移動度分析器および微粒子処理装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3503931B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| AU2002348333B2 (en) * | 2001-11-02 | 2007-02-01 | Michael J. Labowsky | Method and apparatus to increase the resolution and widen the range of differential mobility analyzers (DMAS) |
| US7806968B2 (en) * | 2007-10-16 | 2010-10-05 | Horiba Ltd. | Calibration unit for volatile particle remover |
| JP5975100B2 (ja) * | 2012-06-06 | 2016-08-23 | 株式会社島津製作所 | 微粒子分級測定装置、粒子濃度分布が一様なサンプル作成装置、及びナノ粒子膜成膜装置 |
| CN103499516B (zh) * | 2013-10-22 | 2015-04-22 | 东南大学 | 一种高压密相气力输送煤粉流动状态的检测方法 |
| CN109991133B (zh) * | 2019-05-17 | 2020-11-13 | 中国科学院化学研究所 | 一种纳米颗粒物化学组分检测系统及检测方法 |
-
1999
- 1999-08-04 JP JP22176099A patent/JP3503931B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JP2001050886A (ja) | 2001-02-23 |
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