KR20090013181A - 고처리량 파티클 카운터 - Google Patents

Abstract

파티클 카운터(1)는, 적어도 분당 50 리터의 최대 유량으로 측정 챔버를 통해 가스 흐름을 발생시키도록 되어 있는 스크롤 펌프(2)를 구비한다. 가스 흐름에 동반된 입자로부터 산란된 광(10)은 광학 시스템(11)에 의해 집광된다. 최소 구경과 배율의 곱은 적어도 2㎜에 달한다. 적어도 2.5㎜의 최소 직경을 갖는 최소 구경과 적어도 1.5의 배율이 특히 바람직하다. 광학 시스템(11)은 가스 흐름과 광선(8)의 교차에 의해서 발생된 측정 체적의 투영을, 센서 모듈(13)의 활성 영역(12)상에 비춘다. 센서 모듈(13)은 광전자 증배관(PMT)을 수용한다. 파티클 카운터의 감도 및 정밀도 양자는 보다 큰 구경과 보다 큰 배율을 사용하여 향상되고, 이것은 광전자 증배관의 사용에 의해서 가능하게 된다.

Description

고처리량 파티클 카운터{HIGH THROUGHPUT PARTICLE COUNTER}

본 발명은 파티클 카운터에 관한 것으로서, 특히 파티클 카운터를 통해 정량될 파티클 로드를 운반하는 가스 흐름을 생성하는 펌프, 가스 흐름이 유입하는 입구 및 가스 흐름을 유출시키는 출구를 가진 측정 챔버, 광원, 광원으로부터 방출된 광선을 측정 챔버 내로 향하게 하여 광선이 가스 흐름을 횡단하게 하는 수단, 파티클 로드에 의해 산란된 광을 검출하는 센서 수단 및 이 센서 수단의 활성 영역상으로 산란광을 비추는 광학 시스템을 포함하는 파티클 카운터에 관한 것이다.

이러한 유형의 파티클 카운터는, 예컨대 미국 특허 4,571,079 호에 공지되어 있다. 이 파티클 카운터는 무균실 환경의 주위 공기 중의 입자 농도를 측정하는데 자주 사용되고 있다.

반도체 제조, 제약, 마이크로 및 나노제조, 과학 무균 실험실 등의 고가의 공정 제품들을 쓸모없게 만들 수도 있는 입자 오염을 피하기 위해서 매우 낮은 부유 입자 농도가 필수적인 곳마다, 실제의 입자 농도를 연속적으로 또는 적어도 규칙적으로 감시하는 것이 필요하다.

입자 농도가 평가될 주위 공기를 나타내는 측정 결과를 달성하기 위해서, 일정한 최소 공기 체적을 견본으로 조사하는 것이 필요하다. 예컨대, 양호한 제조 실행에 대한 유럽 위임 지침서는 A 등급 또는 B 등급의 무균실에 대해 1 입방 미터의 최소 표본 체적을 필요로 하고, C 등급의 무균실에 대해서 동일한 표본 체적을 권고하고 있다.

파티클 카운터가 그것의 측정 체적을 통과하는 것을 허용하는 표본 조사된 공기의 최대 유량은, 측정을 완료하는데 필요한 시간을 결정하는 것이 명확하다. 측정 체적은, 표본 공기의 흐름과 측정 챔버 내로 향하는 광선의 교차에 의해서 형성되는 체적이다. 입자 농도를 연속적으로 감시하면, 유량이 높을수록 입자 농도가 보다 신속하게 변화하는 것을 발견하게 될 것이다.

따라서, 고 유량이 에어 샘플링에 바람직하다. 그러나, 유량이 높을수록, 매우 미세한 입자, 특히 수백 나노미터 내지 1마이크로미터(초미세 입자)의 범위에 이르는 직경을 가진 입자의 검출이 더욱 어렵다. 측정 체적에 위치하는 동안 일정한 크기의 입자가 산란되는 광량은 입자의 속도(및 유량)에 반비례하고 입자 크기에 비례한다. 입자의 속도를 인수 2만큼(또는 유량의 2배로) 증가시키면, 입자가 측정 체적을 통해 이동하는 기간이 절반으로 되는 결과가 발생하여, 입자에 의해 산란되는 광을 검출하는데 이용 가능한 기간이 감소한다.

미국 특허 4,571,079 호에 개시된 것과 같이, 현재 파티클 카운터에서 센서로서 일반적으로 사용되는 반도체 광다이오드는 큰 활성 영역을 가진 증가된 커패시턴스를 나타내고 있다. 다른 한편, 커패시턴스가 증가하면 응답 속도가 감소하는 결과가 발생한다. 입자가 측정 체적을 횡단하는 동안 입자들 사이의 짧은 상호작용 시간 때문에, 높은 입자 속도는 광검출기로부터의 증가된 응답 속도를 요구한 다. 또한, 센서의 실제 크기에 관계없이, 완성된 측정 체적을 센서의 활성 영역상에 비추는 것이 필요하다. 커패시턴스를 낮게 유지하고 응답 속도를 높게 유지하기 위해서, 검출기 다이오드의 활성 영역을 작게 유지함으로써 1 미만의 배율을 갖는 검출 광학장치가 필요하다. 즉, 검출기의 활성 영역상의 이미지는 측정 체적의 투영 면적보다 작아서, 실제로 검출되는 산란광의 양이 감소되기에 이른다. 그 결과, 초미세 입자의 적당하고 확실한 검출을 가능하게 하는 최대 유량이 제한된다. 통상적으로, 상업적으로 이용가능한 파티클 카운터는 분당 28.8 리터(1 입방 피트)의 유량으로 작동한다.

상기 제한을 극복하기 위해서, 미국 특허 5,084,629 호에서는 각각 자체 광원, 광학장치 및 센서를 포함하고 각각의 부분 가스 흐름에 대해 별도의 측정 체적을 갖는 복수의 부분 가스 흐름으로의 표본 가스 흐름의 분배를 파티클 카운터에 제공하는 것이 제안되었다. 이러한 평행 접근에 기인하여, 각 부분 가스 흐름의 유량이 감소함으로써 초미세 입자의 확실한 검출이 가능하지만, 그 대신 복잡성이 상당히 증가하고 그에 따라 전체 장치의 비용이 증가한다.

광학 부품의 제한에 기인하여, 파티클 카운터 내의 가스 흐름의 유로의 크기는 고 유량에 적합하도록 자유롭게 설정될 수 없다. 따라서, 유로를 통해 표본 가스 흐름을 토출시킬 때, 유량이 높을수록 점차 중요해지는 추가의 문제점에 직면하게 된다. 종래의 파티클 카운터에 종종 사용되는 실제의 변위 진공 펌프는, 고유량 파티클 카운터의 휴대용 설계 또는 배터리 작동을 가능하게 할 정도로 충분하지 않다.

파티클 카운터에서 보다 효율적인 원심 송풍기의 사용이 미국 특허 5,515,164 호에 제안되었는데, 이것은 많은 용도에 적합할 수도 있다. 그러나, 원심 송풍기를 이용한 유효 설계는, 일정한 측정 챔버에 대해 유량 증가에 따라 발생하는 압력 강하의 증가에 기인하여 고유량에서 실행하기가 점점 더 어렵게 될 것으로 예상된다.

파티클 카운터에서 로브 펌프(lobe pump)의 사용은 많은 용도에 적합할 수도 있는 미국 특허 6,031,610 호에 제안된바 있다. 그러나, 펌프가 측정 챔버의 출구로부터 주로 하류에 배치되기 때문에, 펌프 입력부에서의 압력 변동 때문에, 측정 챔버의 가스 흐름 내측이 불안정해지는 위험이 존재한다.

초미세 입자를 검출하는 것이 가능한 상업적으로 이용가능한 파티클 카운터에 의해 달성되는 최대 유량은 1분당 50 리터보다 거의 높지 않다.

이를 고려하여, 본 발명의 목적은 파티클 카운트의 신뢰도, 감도 및 정확도를 저해하지 않고 고 유량의 입자 카운터를 제공하는 것이다. 또한, 고유량 파티클 카운터의 소형의 휴대용 설계를 가능하게 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 측면에 따라, 이 목적은 처음 언급한 유형의 파티클 카운터에 있어서, 펌프가 파티클 카운터를 통해 1분당 적어도 50 리터의 가스의 최대 유량을 발생시키도록 되어 있고, 최소 구경의 최대 직경과 상기 광학 시스템의 배율의 곱이 적어도 2mm에 달하고, 센서 수단이 광전자 증배관(photomultiplier tube)을 포함하는, 파티클 카운터를 제공하는 것에 의해서 달성된다. 바람직하게는, 검출 광학장치는 적어도 2㎜의 최소 직경과 1 또는 그 이상의 배율을 갖는 최소 구경을 구비한다. 적어도 2.5㎜의 최소 직경과 적어도 1.5의 배율을 갖는 최소 구경이 특히 바람직하다. 8㎜의 직경을 갖는 구경이 광전자 증배관을 실행하는데 가능하다(또한 바람직하다).

본 명세서에서 용어 "배율"은 배율의 절대값을 의미한다. 즉, 측정 체적의 이미지를 반전(광선과 가스 분사의 교차)시키는 광학 시스템은 양성 배율을 갖는 것으로 간주된다. 따라서, 1 이상의 배율은 이미지의 방위에 관계없이 실 배율(광학 감소와 반대로)을 의미한다.

바람직하게는, 펌프는 1분당 56.6 리터(2 입방 피트)를 초과하는 최대 가스 흐름을 발생시키도록 되어 있는데, 이것은 종래 기술의 초미세 파티클 카운터의 한께 또는 심지어 1분당 100 리터로 간주될 수 있다.

광학 시스템(검출측)에 이상이 존재할 수도 있지만, 보다 큰 구경 및/또는 배율은 산란광의 충분한 집광을 가능하게 한다. 이와 동시에, 광다이오드 대신에 광전자 증배관의 사용에 의해 센서 수단의 반응 속도를 높게 유지한다. 바람직하게는, 광전자 증배관의 실행은, 1 와트당 50 메가볼트 이상의 전체 이득으로 3 마이크로초 미만의 상승 시간을 얻도록 검출 전자장치를 가속시키는 것이 가능하여, 신호대 잡음비를 허용가능한 한계 내에 유지시킨다.

본 발명의 바람직한 실시예들은 청구항 2 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 따라 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 근원적 목적은 파티클 카운터, 바람직하게는 광전자 증배관을 갖는 파티클 카운터를 통해 1분당 적어도 50 리터의 가스 흐름을 발생시키는 스크롤 펌프에 의해 달성되며, 상기 가스 흐름은 상기 파티클 카운터에 의해 정량될 파티클 로드를 운반한다.

전에는 실행되지도 제안되지도 않았던 파티클 카운터를 통해 가스 흐름을 발생시키는 스크롤 펌프의 사용에 의해서 몇가지 이점이 생긴다. 하나가 다른 하나에 대해서 궤도 방식으로 움직하는 2개의 인터리빙 스크롤(interleaving scroll)에 기초한 스크롤 펌프의 작동 원리는, 펌프의 효율을 상당히 향상시키는 매우 낮은 마찰 설계를 고려한다. 또한, 스크롤 펌프의 입력 유동은 측정 챔버의 유동 불안정을 방지하는데 도움이 된다.

이러한 이점들은 저 유량 및 상이한 센서 종류를 갖는 파티클 카운터에서의 스크롤 펌프의 사용에도 적용되지만, 광전자 증배관(또는, 가능하다면 소위 아발란체 광다이오드(avalanche photodiode)으로 측정함으로써 허용되는 고 유량에서의 작동에 대해서, 유효 펌프 설계가 특히 중요하다는 점에 유의해야 한다.

일반적으로, 상술한 실시예들 또는 본 명세서에 언급하는 선택사항들 중 어느 것이라도 실제 적용 조건에 따라 특히 유리할 수도 있다. 또한, 기술적으로 가능한 한 다른 방식으로 표시하지 않으면 일 실시예의 특징들이 다른 실시예의 특징들 뿐만 아니라 종래 기술에 자체 공지된 특징들과 조합될 수도 있다.

특히, 본 발명에 따르는 입자 카운터는, 다채널 검출, 디지털 측정 평가, 네트워크 및 주변 장치와의 전자 링크 등과 같은 종래 기술로부터 자체 공지된 특징들을 구비할 수도 있다.

개략도이며 일정 비율로 도시하지 않은 첨부 도면은 본 발명의 특징들을 잘 이해하게 하는 역할을 한다.

도 1은 본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르는 파티클 카운터의 개략 구성도이다.

파티클 카운터(1)는, 1분당 100 리터의 최대 유량으로 파티클 카운터(10)를 통해 가스 유동을 발생시키도록 된 스크롤 펌프(2)를 구비한다. 스크롤 펌프(2)는 스테이터 스크롤(4)에 대한 로터 스크롤(3)의 궤도 운동에 의해 작동하고, 원칙적으로 다른 기구와 함께 종래 기술에 공지된 스크롤 펌프와 같이 설계될 수도 있다. 스크롤 펌프(2)는 파티클 카운터(1)를 통해 장치 입구(5)에 수집되는 입자 함유 공기를 효율적으로 이동시킨다. 신뢰도 및 보수유지의 용이성을 향상시키기 위해서, 스크롤 펌프(12)는 무브러시 모터(22)에 의해 구동된다.

로브 펌프 및 로터리 베인 펌프(rotary vane pump)와 같은 다른 펌프 종류가 허용 가능한 전력 소비로 고 유량을 생성하는데 적합하지만, 펌프 입구의 매우 낮은 압력 변동 때문에 스크롤 펌프의 사용이 바람직하다.

입자 동반 공기 유동이 입구 노즐(7)을 통해서 측정 챔버(6)에 유입하고 레 이저 다이오드(9)에 의해 형성되는 광선(8)을 가로지른다. 레이저 다이오드(9) 대신에, 기상 레이저 또는 고상 레이저와 같은 다른 종류의 레이저 또는 축전기 방전램프와 같은 비간섭성 발광 장치를 사용할 수도 있다. 그러나, 저비용, 낮은 전력 소비 및 이용가능한 레이저 다이오드의 작은 치수로 인하여, 레이저 다이오드(9)의 사용이 바람직하다.

가스 흐름에 동반된 입자로부터 산란된 광(10)은, 2.5㎜×5㎜의(직사각형) 최소 구경과 1.7의 배율을 갖는 광학 시스템(11)에 의해 집광된다. 따라서, 최소 구경의 최소 직경과 배율의 곱은 4.25㎜에 달한다. 2㎜×2㎜와 같은 작은 구경과 1과 같은 작은 배율도 본 발명의 범위 내에 있지만, 광전자 증배관의 사용에 의해서 가능하게 되는 큰 구경 및 큰 배율을 사용하여 파티클 카운터의 감도 및 정확도가 향상된다.

도 1의 개략도가 광선(8)과 광학(검출) 시스템(11)의 양자를 도면 평면에 도시하고 있지만, 광선(8)의 광축과 광학 시스템(11)의 광축은 서로 각도를 형성하고 있다는 것에 유의해야 한다. 통상적으로, 광학 시스템(11)의 광축은 광선(8)의 광축에 대해 약 30 내지 120도의 각도로 향하고 그리고 광선(8)을 횡단하는 가스 흐름의 유동 방향에 수직이다.

광학 시스템(11)은 가스 흐름과 광선(8)의 교차에 의해 형성되는 측정 체적의 투영을 센서 모듈(13)의 활성 영역(12)상에 비춘다. 센서 모듈(13)은 고압 전원과 함께 밀봉된 광전자 증배관(PMT), 즉 파티클 카운터(1)의 전원의 전압을 광전자 증배관을 구동하는 고압으로 변환시키는 회로를 수용하고 있다. 파티클 카운 터(1)는 이동 작동을 허용하도록 배터리로 작동되는 것이 바람직할 수도 있다.

PMT를 포함하는 검출 전자 기기는 3 마이크로초 미만의 상승 시간과 1와트당 50 메가볼트 이상의 전체 이득을 얻도록 되어 있다.

고압 전원을 포함하는 센서 모듈(13)을 사용하는 대신에, 별도의 부품을 사용할 수도 있다. 그러나, 자급형 PMT 모듈(13)은 파티클 카운터(1)의 구조를 간단하게 한다. 또한, 센서 모듈(13)은 손상될 경우 교환이 용이할 수도 있다. 광전자 증배관의 수행에 의해서, 센서 모듈(13)의 감도와 응답 속도가 실리콘 또는 게르마늄 광다이오드에 의해 달성 가능한 감도 및 응답 속도보다 높다.

센서 모듈(13)은, 측정 챔버(6) 내에 산란 광을 발생시키는 입자를 측정하기 위해서 센서 모듈(13)의 출력 신로를 평가하는 전자 카운터 회로(14)와 접속되어 있다. 소정 기간에 걸쳐 수행된 파티클 카운트의 결과를, 디스플레이 및/또는 프린터와 같은 적절한 출력 장치를 사용하여 출력할 수도 있다.

출구(15)를 통해 측정 챔버(6)에서 유출되는 가스 흐름은 펌프(2)를 지나고 배기구(16)를 통해 방출된다. 스크롤 펌프(2)의 상류 및/또는 하류에 위치될 수도 있는 파티클 필터가 도 1에는 도시되어 있지 않다.

파티클 카운터(1)를 통한 가스 흐름의 유량을 제어하기 위해서, 측정 챔버의 상류의 제 1 위치(17)와 하류의 제 2 위치(18) 사이의 압력차가 측정된다. 이것은, 차압 센서(19) 또는 2개의 개별 압력 센서를 사용하여 달성될 수도 있다. 상류와 하류의 압력차를 측정하는 대신, 파티클 카운터(1)의 가스 덕트의 임의의 형성 구멍의 2측면 사이의 압력차를 측정하여 유량을 측정할 수도 있다. 제어 유 닛(21)의 조정 기능 또는 조정값의 목록을 사용하여 측정된 압력차로부터 실 유량을 계산한다.

바람직하지는 않지만, 가스 유량을 측정하는 다른 방법도 적절하다.

제어 유닛(21)은 일정한 원하는 유량을 얻도록 펌프 모터(22)를 제어한다. 제어 유닛은 다양한 유량들 중 하나를 사용자가 선택하도록 하는 조작 패널 또는 다른 수단을 포함할 수도 있다.

바람직하게는, 제어 유닛(21)과 카운터 회로(14)는 서로 접속되고, 공통 사용자 인터페이스를 사용하여 그것의 파라미터 설정이 이루어질 수도 있다. 입자 농도가 높은 환경에서, 제어 유닛(21)은 유량을 자동적으로 감소시켜 여전히 단일의 파티클 카운트를 해결할 수 있도록 한다.

Claims (15)

1. 파티클 카운터로서,

   상기 파티클 카운터를 통해서, 정량될 파티클 로드(particle load)를 운반하는 가스 흐름을 발생시키는 펌프(2),

   상기 가스 흐름을 유입시키는 입구(7)와 상기 가스 흐름을 유출시키는 출구(15)를 가진 측정 챔버(6),

   광원(9),

   상기 광원(9)으로부터 방출된 광선(8)을 상기 측정 챔버(6) 내로 향하게 하여 상기 광선(8)이 상기 가스 흐름을 횡단하게 하는 수단,

   상기 파티클 로드에 의해 산란된 광(10)을 검출하는 센서 수단(13), 및

   상기 산란 광(10)을 상기 센서 수단(13)의 활성 영역(12)상에 비추는 광학 시스템(11)을 포함하는 파티클 카운터에 있어서,

   상기 펌프(2)는, 상기 파티클 카운터를 통해서 적어도 분당 50 리터의 최대 가스 흐름을 발생시키도록 되어 있고,

   상기 광학 시스템(11)의 최소 구경의 최소 직경과 배율의 곱이 적어도 2㎜에 달하고,

   상기 센서 수단(13)이 광전자 증배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 파티클 카운터.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 광학 시스템(11)의 최소 구경의 최소 직경과 배율의 곱이 적어도 4㎜에 달하는 파티클 카운터.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 센서 수단(13)이 3 마이크로초 미만의 상승 시간과 적어도 와트당 50 메가볼트의 전체 이득을 가능하게 하도록 되어 있는 파티클 카운터.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 펌프(2)가 스크롤 펌프(2)인 파티클 카운터.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 스크롤 펌프(2)가 브러시리스 모터(22)에 의해서 구동되는 파티클 카운터.
6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,

   상기 스크롤 펌프(2)가 배터리로 구동되는 파티클 카운터.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 가스 흐름의 유량을 측정하는 수단을 더 포함하고, 상기 유량 측정 수 단이 상기 파티클 카운터 내의 상기 흐름의 유로의 제 1 위치(17)와 제 2 위치(18) 사이의 압력차를 측정하는 수단(19)을 구비하는 파티클 카운터.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 제 1 위치(17)가 상기 입구(7)의 상류이고, 상기 제 2 위치(18)가 상기 출구(15)의 하류인 파티클 카운터.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 광전자 증배관이 고 전압 공급부를 포함하는 모듈 내에 통합되는 파티클 카운터.
10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 펌프(2)는, 상기 파티클 카운터를 통해 적어도 분당 100리터의 최대 가스 흐름을 발생시키도록 되어 있는 파티클 카운터.
11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 측정 챔버(6)가 렌즈 튜브인 파티클 카운터.
12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 광원(9)이 레이저 광원(9)인 파티클 카운터.
13. 청구항 12에 있어서,

    상기 광원(9)이 레이저 다이오드를 구비하는 파티클 카운터.
14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 파티클 카운터가 휴대용인 파티클 카운터.
15. 파티클 카운터를 통해서, 상기 파티클 카운터에 의해 정량될 파티클 로드를 운반하는 적어도 분당 50 리터의 가스 흐름을 발생시키기 위한 스크롤 펌프(2)의 사용.

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