JP4466308B2

JP4466308B2 - 微粒子測定装置

Info

Publication number: JP4466308B2
Application number: JP2004294001A
Authority: JP
Inventors: 雄二松添
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2024-10-06
Also published as: JP2006105825A

Description

本発明は、クリーンルームなどの粉塵を管理する領域において、粉塵などの微粒子の数と大きさを計測する微粒子測定装置に関する。

従来の微粒子測定装置は、気体等の流体を当該微粒子測定装置の内部に吸引して外部へ排気し、この際、内部に流れる流体に光源からのレーザ光を照射し、この照射時に流体中に含まれる微粒子での散乱光を受光素子で受光するように構成されている。そして、その受光に応じて受光素子からミー散乱理論に従って出力される電気信号から微粒子の数及び大きさ（粒径）を演算して求めるようになっている。

このような従来の微粒子測定装置の一例を図６に示し、その説明を行う。
図６に示す微粒子測定装置６０は、長手方向中心線（光軸６１）に沿って円柱形状に貫通する光路空間６２を有する円筒形状の測定管６３を備える。
測定管６３の一端部には、光路空間６２を外界と遮光状態に閉塞する円板部材７０が固定されている。その円板部材７０の固定端と反対側の端には、光路空間６２を外界と遮光状態に閉塞する円板状の止板６６が固定されている。このように外界と遮光された測定管６３の内壁は、光吸収性の良い黒色塗装等の反射防止加工がなされている。

光路空間６２において、円板部材７０には、半導体レーザ６９が固定されている。半導体レーザ６９のレーザ光出射側には所定間隔離してコリメートレンズ６８が配置され、更に、コリメートレンズ６８から所定間隔離れた位置にシリンドリカルレンズ６７が配置されている。半導体レーザ６９から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ６８によって平行ビーム光とされ、更にシリンドリカルレンズ６７によって当該シリンドリカルレンズ６７の焦点距離位置に発生する非常に幅が狭く細長い扁平ビーム光とされるようになっている。

また、シリンドリカルレンズ６７から止板６６側に所定間隔離れた位置には、シリンドリカルレンズ６７からの扁平ビーム光に対して交差する状態に、測定管６３の外面から周壁を貫通して光路空間６２へ抜ける空気口７２が形成されている。
空気口７２は、図示せぬ排気／吸引用のポンプ又はファンモータに接続されており、そのポンプ又はファンモータによって噴出流路から噴出された気体が吸引流路で吸引されることによって、光路空間６２に光軸６１と交差状態に気流が流れるようになっている。
また、その気流が流れる光路空間６２の内壁には、散乱光検出用フォトダイオード６４，６５が配置されている。そして、シリンドリカルレンズ６７からの扁平ビーム光と気流とが交差する際に、気流中の粉塵等の微粒子で散乱した光（散乱光）が散乱光検出用フォトダイオード６４，６５で受光されるようになっている。

このような構成の微粒子測定装置６０による微粒子の数と大きさの測定動作を、図７を参照して説明する。
半導体レーザ６９から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ６８によって平行ビーム光とされ、更にシリンドリカルレンズ６７の焦点距離位置に発生する扁平ビーム光とされる。シリンドリカルレンズ６７から焦点距離の位置には、空気口７２から微粒子を含んだ空気が、光軸６１に対して垂直方向で且つ散乱光検出用フォトダイオード６４，６５の検出方向の線分に対して垂直方向に流れている。

シリンドリカルレンズ６７から照射された扁平ビーム光が空気内の微粒子を照射し、この照射によって散乱光が発生する。この散乱光が散乱光検出用フォトダイオード６４，６５で検出されて電気信号に変換され、更に増幅回路（図示せず）で増幅される。この増幅信号からマイクロプロセッサ（図示せず）にて微粒子の数及び粒径が演算される。
この種の従来の微粒子測定装置として、例えば特許文献１及び２に記載のものがある。
特開平８−２７１４２３号公報特開平３−３９６３５号公報

しかし、従来の微粒子測定装置においては、多くの部品を組み合わせて構成しなければならないので、装置全体が大きくなると共に、大量生産が出来ず、製造コストも高くなるという問題がある。
また、光源に信頼性が低く寿命が短い半導体レーザを使用するため、必然的に微粒子測定装置も信頼性が低く寿命が短くなるという問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、装置全体の小型、大量生産の実施、製造コストの低減を図ることができ、更に装置自体の信頼性の向上と長寿命化を図ることができる微粒子測定装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１による微粒子測定装置は、流路に流れる流体に光源からの出射光を照射し、この照射時に流体中に含まれる微粒子での散乱光を受光素子で受光し、この受光に応じて受光素子から出力される電気信号をもとに微粒子の数及び大きさを演算して求める微粒子測定装置において、基板表面に一端面から他端面に抜けて形成された溝と、この溝内に受光面が露出した状態で埋設された受光素子と、出射光が前記受光面に直接照射されず当該受光面上を通過するように前記溝内に配設された光源とを有する第１の半導体基板と、前記溝が塞がれて前記流体の流路となるように前記第１の半導体基板の上に固定された第２の半導体基板とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、第１の半導体基板に溝を形成し、この溝内に受光素子及び光源を配設して第２の半導体基板で蓋をすれば微粒子測定装置を構成することができるので、装置全体を小型化することが可能となる。

また、本発明の請求項２による微粒子測定装置は、請求項１において、前記光源は、所定領域の面から光を発光する発光ダイオードと、この発光ダイオードからの発光光を扁平ビーム光に変換して出射するレンズとが、当該レンズの出射面が露出される状態で半導体材料に被覆されてなることを特徴とする。
この構成によれば、光源を信頼性が高く寿命が長い発光ダイオードを用いて構成することができるので、その分、微粒子測定装置の信頼性の向上と長寿命化を図ることができる。

また、本発明の請求項３による微粒子測定装置は、請求項１または２において、前記光源は、前記溝の側壁を凹状に削り取った配設部分に嵌合されていることを特徴とする。
この構成によれば、光源が半導体基板に一体状態に組み込まれるので、光源並びにその位置を安定的に固定することができ、これによって微粒子測定を安定して行うことができる。

また、本発明の請求項４による微粒子測定装置は、請求項１から３の何れか１項において、前記流路と、前記光源と、前記受光素子とは、前記流路の流体が通過する方向の流路軸と、前記光源からの出射光の光軸とが直交する点の直下に前記受光素子が位置する配置関係であることを特徴とする。
この構成によれば、光源からの出射光が流路を流れる流体に照射され、この照射時に流体中に含まれる微粒子で散乱した光が、効率よく受光素子で受光されるようになる。

また、本発明の請求項５による微粒子測定装置は、請求項１から４の何れか１項において、前記受光素子は、前記第１の半導体基板のＰ型及びＮ型の何れか一方と異なる型の半導体がドーピングされて形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、受光素子を半導体基板と一体に形成することができると共に、容易で安定的に形成することができる。

また、本発明の請求項６による微粒子測定装置は、請求項１から５の何れか１項において、前記溝と、前記光源の配設部分は、エッチングによって形成されることを特徴とする。
この構成によれば、半導体基板をエッチングして流路、光源の配設部分を形成することができるので、上記のドーピングによる受光素子の形成方法と併用すれば、微粒子測定装置を大量生産することができ、製造コストも低減させることができる。

また、本発明の請求項７による微粒子測定装置は、請求項２において、前記発光ダイオードは、面発光ダイオードであることを特徴とする。
この構成によれば、流体に照射される光の光量を増加させることができるので、より微粒子の数及び大きさを正確に演算することができる。

以上説明したように本発明によれば、装置全体の小型、大量生産の実施、製造コストの低減を図ることができ、更に装置自体の信頼性の向上と長寿命化を図ることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る微粒子測定装置の外観構成を示す斜視図である。
図１に示す微粒子測定装置１０は、矢印方向に貫通する溝による流路１１が形成された長方形状のシリコン基板１２と、このシリコン基板１２の上に固定される板状のシリコン基板１３とが陽極接合されて構成されている。また、矢印方向に流路１１を空気が流入して通過するようになっているが、本実施の形態では空気の流入手段については特筆しない。

次に、図２及び図３を参照してシリコン基板１２の詳細構成を説明する。図２はシリコン基板１２の斜視図である。図３（ａ）はシリコン基板１２の平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ１−Ａ２断面図である。
流路１１は、エッチングによって形成され、流路軸２１に沿って空気の流入口から基板内部へ向かうに従って扇状に狭まり、最も狭い幅で流路軸２１に沿って所定長（長方形状）とされた中央部分１１ａから空気の流出口へ向かうに従って流入側と対称形状に広がる形状を成している。

中央部分１１ａには、シリコン基板１２における他の部分と異なるタイプ（Ｐ型又はＮ型）の半導体材料をイオン注入した受光素子２２が形成されている。例えばＰ型のシリコン基板１２にＮ型の半導体をイオン注入して受光素子２２を形成する。
また、シリコン基板１２には、中央部分１１ａに対して垂直な側壁部分をエッチングによって直方体形状に刳り貫いた光源穴２３が形成されている。

この光源穴２３には、当該光源穴２３に丁度嵌合する寸法の直方体形状の光源２４が嵌合されている。
この光源２４は、図４及び図５に示すように、流路１１側に流路軸２１と平行に発光面が配置され、この発光面から光を発光する面発光ＬＥＤ２４ａと、この面発光ＬＥＤ２４ａから発光される光を扁平ビーム光に変換し、この扁平ビーム光を、流路軸２１に直交する光軸２７に沿って流路１１側へ出射するシリンドリカルレンズ２４ｂとが、直方体形状の半導体材料に一体に組み込まれて形成されている。

また、流路１１と、光源２４と、受光素子２２とは、光軸２７と流路軸２１とが直交する点の直下（受光素子方向）に受光素子２２が位置する配置関係となっている。
このような構成の微粒子測定装置１０による微粒子の数と大きさの測定動作を説明する。
光源２４において、面発光ＬＥＤ２４ａから発光される光がシリンドリカルレンズ２４ｂで扁平ビーム光に変換され、この扁平ビーム光が、流路軸２１に直交する光軸２７に沿って流路１１へ出射される。

この際、微粒子を含んだ空気が流路１１に流入されて通過すると、光源２４から出射された扁平ビーム光が空気内の微粒子を照射し、この照射によって散乱光が発生する。この散乱光が受光素子２２で検出されて電気信号に変換され、更に増幅回路（図示せず）で増幅される。この増幅信号からマイクロプロセッサ（図示せず）にて微粒子の数及び粒径が演算される。

このような本実施の形態の微粒子測定装置１０によれば、シリコン基板１２の表面に一端面から他端面に抜ける溝を形成し、この溝内に受光面が露出した状態で埋設された受光素子２２と、出射光が受光面に直接照射されず当該受光面上を通過するように溝内に配設された光源２４とを備え、更に、その溝が塞がれて空気の流路となるようにシリコン基板１２の上をシリコン基板１３で閉塞して固定した。このように２枚のシリコン基板を張り合わせればよいので、微粒子測定装置全体を小型化することができる。

また、光源２４は、所定領域の面から光を発光する面発光ＬＥＤ２４ａと、この面発光ＬＥＤ２４ａからの発光光を扁平ビーム光に変換して出射するシリンドリカルレンズ２４ｂとが、当該レンズ２４ｂの出射面が露出される状態で半導体材料に被覆されてなる。これによって、光源２４を信頼性が高く寿命が長い面発光ＬＥＤ２４ａを用いて構成することができるので、その分、微粒子測定装置１０の信頼性の向上と長寿命化を図ることができる。

また、光源２４は、流路１１側壁を凹状に削り取った光源穴２３に嵌合したので、光源穴２３がシリコン基板１２に一体状態に組み込まれた状態となる。これによって、光源２４並びにその位置を安定的に固定することができるので、微粒子測定を安定して行うことができる。
また、流路１１と、光源２４と、受光素子２２とを、流路１１の空気が通過する方向の流路軸２１と、光源２４からの出射光の光軸とが直交する点の直下に受光素子２２が位置する配置関係とした。これによって、光源２４からの出射光が流路１１を流れる空気に照射され、この照射時に空気中に含まれる微粒子で散乱した光が、効率よく受光素子２２で受光されるようになる。

また、受光素子２２を、シリコン基板１２のＰ型及びＮ型の何れか一方と異なる型の半導体がドーピングして形成したので、受光素子２２をシリコン基板１２と一体に形成することができると共に、容易で安定的に形成することができる。
また、流路１１と光源穴２３はエッチングによって形成できるので、受光素子２２のドーピングによる形成方法と併用すれば、微粒子測定装置１０を大量生産することができ、製造コストも低減させることができる。

本発明の実施の形態に係る微粒子測定装置の外観構成を示す斜視図である。上記実施の形態に係る微粒子測定装置のシリコン基板の斜視図である。（ａ）上記実施の形態に係る微粒子測定装置のシリコン基板の平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ１−Ａ２断面図である。上記実施の形態に係る微粒子測定装置のシリコン基板の光源の構成を示す図である。上記光源の光軸、流路軸、受光素子方向の軸の関係を示す図である。従来の微粒子測定装置の構成を示す断面図である。従来の微粒子測定装置の動作を説明するための図である。

符号の説明

１０微粒子測定装置
１１流路
２１流路軸
１１ａ流路の中央部分
１２，１３シリコン基板
２１流路軸
２２受光素子
２３光源穴
２４光源
２４ａ面発光ＬＥＤ
２４ｂシリンドリカルレンズ
２７光軸

Claims

流路に流れる流体に光源からの出射光を照射し、この照射時に流体中に含まれる微粒子からの散乱光を受光素子で受光し、この受光に応じて受光素子から出力される電気信号をもとに微粒子の数及び大きさを演算して求める微粒子測定装置において、
基板表面に一端面から他端面に抜けて形成された溝と、この溝内に受光面が露出した状態で埋設された受光素子と、出射光が前記受光面に直接照射されず当該受光面上を通過するように前記溝内に配設された光源とを有する第１の半導体基板と、
前記溝が塞がれて前記流体の流路となるように前記第１の半導体基板の上に固定された第２の半導体基板と
を備えたことを特徴とする微粒子測定装置。
前記光源は、所定領域の面から光を発光する発光ダイオードと、この発光ダイオードからの発光光を扁平ビーム光に変換して出射するレンズとが、当該レンズの出射面が露出される状態で半導体材料に被覆されてなる
ことを特徴とする請求項１に記載の微粒子測定装置。
前記光源は、前記溝の側壁を凹状に削り取った配設部分に嵌合されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の微粒子測定装置。
前記流路と、前記光源と、前記受光素子とは、前記流路の流体が通過する方向の流路軸と、前記光源からの出射光の光軸とが直交する点の直下に前記受光素子が位置する配置関係である
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の微粒子測定装置。
前記受光素子は、前記第１の半導体基板のＰ型及びＮ型の何れか一方と異なる型の半導体がドーピングされて形成されている
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の微粒子測定装置。
前記溝と、前記光源の配設部分は、エッチングによって形成される
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の微粒子測定装置。
前記発光ダイオードは、面発光ダイオードである
ことを特徴とする請求項２項に記載の微粒子測定装置。