JP6153127B2 - 塵埃センサ - Google Patents

Description

本発明は、塵埃センサに関するものである。

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。

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。

Makynen 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。

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。

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。

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。

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。 検知部の構成を示す斜視図である。 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。 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。 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。 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。 変位感度の測定結果を示すグラフである。 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。 共振周波数の測定結果を示すグラフである。 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。 気流速度の測定結果を示すグラフである。 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。 浮遊粒子数の測定結果を示すグラフである。 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。 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。

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。

（全体構成）

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４_ＩＮから出口４_ＯＵＴ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。

好ましくは、本体４は出口４_ＯＵＴに送風機５が設けられる。送風機５は流路３の入口４_ＩＮ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。

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。

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。

受圧部８表面は、流路３の入口４_ＩＮから出口４_ＯＵＴ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。

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。

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。

（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）。

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。

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）。

（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。

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。

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。

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））。

送風機５を起動するなどして流路３の入口４_ＩＮから出口４_ＯＵＴ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。

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））。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

（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４_ＯＵＴ側に取り付けられた送風機５とを備える。本体４の入口４_ＩＮ及び出口４_ＯＵＴ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４_ＩＮから出口４_ＯＵＴ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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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

Claims (3)

1. 気体が通過する流路と、
   前記流路内に設けられた検知部と、
   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。
2. 前記回路部は、
   浮遊粒子の衝突によって生じる前記共振周波数領域の抵抗変化と気流によって生じる抵抗変化とを周波数で分離するフィルタ回路を有し、
   前記検知部の周囲を通過する前記気体の流量と、
   前記気体に含まれる前記浮遊粒子の量と
   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。
3. 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気体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１又は２記載の塵埃センサ。

Images