專利名稱：高通量的粒子計(jì)數(shù)器的制作方法
高通量的粒子計(jì)數(shù)器 本發(fā)明涉及粒子計(jì)數(shù)器，尤其涉及一種粒子計(jì)數(shù)器，其包括用于形成通
過粒子計(jì)數(shù)器的氣流的泵，該氣流攜帶將被量化的粒子負(fù)載；具有進(jìn)口和出 口的測(cè)量室，氣流通過該進(jìn)口進(jìn)入測(cè)量室而通過該出口流出測(cè)量室；光源； 用于將光源發(fā)射的光束導(dǎo)入測(cè)量室的裝置，以便光束橫穿氣流；傳感器裝置， 用于檢測(cè)由粒子負(fù)載散射的光；以及光學(xué)系統(tǒng)，用于將散射光成像到傳感器 裝置的活動(dòng)區(qū)域上。
這種類型的粒子計(jì)數(shù)器是眾所周知的，例如美國(guó)第4， 571, 079號(hào)專利 所述。它們被頻繁地用于確定潔凈室環(huán)境的周圍空氣中粒子含量。
在任何情況下，極低濃度的大氣粒子是必不可少的，用以避免可能使昂 貴加工的產(chǎn)品變得無用的粒子污染物一例如半導(dǎo)體制造、藥物生產(chǎn)、微加工 和納米加工、科學(xué)無塵實(shí)驗(yàn)室等，這需要不斷地或至少有蜆律地監(jiān)控實(shí)際粒 子含量。
為了獲得代表將要評(píng)估的粒子含量的環(huán)境空氣的測(cè)量結(jié)果，有必要抽樣 一定的極小空氣量。例如，歐洲產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量規(guī)范管理委員會(huì)需要A類和B 類潔凈室中1立方米空氣的極小采樣量，并為c類潔凈室推薦相同的采樣量。
粒子計(jì)數(shù)器所允許通過其測(cè)量體積(measurement volume)的采樣空氣的 最大流速?zèng)Q定了完成測(cè)量所需的時(shí)間，這一點(diǎn)是很明了的，測(cè)量體積是通過 交叉采樣空氣流與導(dǎo)入測(cè)量室的光束而形成的體積。如果不斷監(jiān)控粒子含 量，較高的流速使得能更快發(fā)現(xiàn)粒子含量中的變化。
因此，高流速是空氣采樣所需要的。然而，流速越高，極細(xì)粒子的檢測(cè) 就越困難，特別是直徑在幾百納米到1微米范圍內(nèi)的粒子(亞微米粒子)。 給定尺寸的粒子位于測(cè)量體積中時(shí)所散射的光的量與粒子速度(也就是流速)成反比，并且與粒子尺寸成正比。通過兩種因素之一 (通過加倍流速) 加速粒子會(huì)導(dǎo)致粒子穿過測(cè)量體積的時(shí)間間隔減半，從而減少可用于檢測(cè)由 粒子散射的光的時(shí)間間隔。
如今，通常將光電二極管用作粒子計(jì)數(shù)器中的傳感器，該光電二極管表
現(xiàn)為隨著活動(dòng)區(qū)域變大而增加的電容，例如美國(guó)第4571079號(hào)專利所公開的。
大的活動(dòng)區(qū)域能增加靈敏度。另一方面，增加電容會(huì)導(dǎo)致降低響應(yīng)速度。由 于粒子橫穿測(cè)量體積時(shí)粒子之間相互作用的時(shí)間變短，更快的粒子速度需要 增加光電檢測(cè)器的響應(yīng)速度。此外，無論傳感器的實(shí)際大小如何，都必須將 整個(gè)測(cè)量體積成像到傳感器的活動(dòng)區(qū)域上。為了保持低電容和髙響應(yīng)速度， 將檢測(cè)器光電二極管的活動(dòng)區(qū)域保持為小，因而需要倍率小于l的探測(cè)光學(xué) 器件。也就是說，檢測(cè)器的活動(dòng)區(qū)域上的成像小于測(cè)量體積的投影面積，這 就導(dǎo)致減少實(shí)際探測(cè)到的散射光的量。其結(jié)果是，限制了允許相當(dāng)可靠地探
測(cè)亞微米粒子的最大流速。典型地，商業(yè)上可用的粒子計(jì)數(shù)器以28.3升(1 立方英尺)每分4中的流速運(yùn)行。
為了克服上述限制，美國(guó)專利第5084629號(hào)提供一種粒子計(jì)數(shù)器，它能 把采樣氣流分?jǐn)偝啥鄠€(gè)部分粒子氣流，每個(gè)部分粒子氣流帶有用于每個(gè)部分 氣流的測(cè)量體積，并包括各自的光源、光學(xué)器件和傳感器。由于這種平行化 方法，每個(gè)部分粒子氣流的流速都降低了 ，從而允許亞微米粒子的可靠檢測(cè)， 但作為代價(jià)的是顯著地增加了復(fù)雜性以及隨之增加的整個(gè)設(shè)備的成本。
由于光學(xué)元件的局限性，粒子計(jì)數(shù)器內(nèi)的氣流流徑不能自由地確定尺寸 來滿足高流速。因此，當(dāng)通過流徑抽取采樣氣流時(shí)，會(huì)遇到隨著流速越高而 愈加突出的附加問題。經(jīng)常用于傳統(tǒng)粒子計(jì)數(shù)器的正位移真空泵不是足夠地 有效用以允許高流速粒子計(jì)數(shù)器的便攜式設(shè)計(jì)或電池供電運(yùn)行。
美國(guó)專利第5515164號(hào)提出在粒子計(jì)數(shù)器中使用更高效的離心鼓風(fēng)機(jī)， 而該鼓風(fēng)機(jī)也適用于很多應(yīng)用。然而，由于隨著給定測(cè)量室中流速的增加而出現(xiàn)增壓降低，則期望在更高流速下實(shí)現(xiàn)采用離心鼓風(fēng)機(jī)的高效設(shè)計(jì)會(huì)愈加 困難。
美國(guó)專利第6031610號(hào)提出在粒子計(jì)數(shù)器中使用凸輪泵，該凸輪泵也適
用于很多應(yīng)用。然而，由于泵進(jìn)口處的壓力波動(dòng)，測(cè)量室內(nèi)部存在氣流不穩(wěn) 定的危險(xiǎn)，這是因?yàn)楸猛ǔＮ挥跍y(cè)量室出口的下游。
能檢測(cè)亞微米粒子的商業(yè)可行的計(jì)數(shù)器所獲得的最高流速很難高于50
升每分鐘。
鑒于上述情況，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種粒子計(jì)數(shù)器，其能用于更 高流速而不危及粒子計(jì)數(shù)的可靠性、靈敏度和精度。此外，理想的是實(shí)現(xiàn)高 流速粒子計(jì)數(shù)器的緊湊便攜式設(shè)計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，該目的通過提供一種最初提及類型的粒子計(jì)數(shù)器
來實(shí)現(xiàn)，其中泵適于形成以至少50升每分鐘通過粒子計(jì)數(shù)器的最大氣流， 最小孔的最小直徑和所述光學(xué)系統(tǒng)的倍率的乘積總計(jì)至少2mm,并且傳感 器裝置包括光電倍增管。優(yōu)選地，該檢測(cè)光學(xué)器件具有最小直徑為至少2mm 的最小孔和等于或大于l的倍率。特別優(yōu)選的是最小直徑為至少2mm的最 小孔和至少1.5的倍率。甚至于直徑為8mm的孔可能(以及有利于)應(yīng)用 光電倍增管。在此說明書中，術(shù)語"倍率"意味著倍率的絕對(duì)值，也就是說, 倒置測(cè)量體積(光束和氣體噴流交叉)圖像的光學(xué)系統(tǒng)也被認(rèn)為具有正倍率。 因而大于1的倍率是指不考慮圖像方向的實(shí)際倍率(與光學(xué)降低相反)。
更優(yōu)選地，該泵適于形成超過56.6升(2立方英尺)每分鐘的最大氣流， 或者甚至100升每分鐘的氣流，其被認(rèn)為現(xiàn)有技術(shù)中亞微米粒子計(jì)數(shù)器的限 制。
盡管在光學(xué)系統(tǒng)(檢測(cè)面)中可能存在偏差，相當(dāng)大的孔和/或倍率能 夠充分采集散射光。同時(shí)，由于使用了光電倍增管而非光電二極管，傳感器 裝置保持較快響應(yīng)速度。有益的是，光電倍增管的實(shí)施能加速檢測(cè)電子，從而傳遞大于50兆伏每瓦的總增益小于3微秒的上升時(shí)間，并且將信噪比保 持在可接受限制內(nèi)。
可根據(jù)權(quán)利要求2至14任 一項(xiàng)構(gòu)造本發(fā)明的有利實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，其根本目的為通過使用渦旋泵形成至少50升 每分鐘經(jīng)過粒子計(jì)數(shù)器、優(yōu)選為帶有光電倍增管的粒子計(jì)數(shù)器的氣流來實(shí) 現(xiàn)，所述氣流運(yùn)載粒子負(fù)載以由所述粒子計(jì)數(shù)器確定數(shù)量。
使用渦旋泵來形成通過粒子計(jì)數(shù)器的氣流，這會(huì)帶來很多益處且在以前 既沒有得以實(shí)施也不曾提出。渦旋泵的工作原理基于兩個(gè)交錯(cuò)渦輪，其中一 個(gè)相對(duì)于另 一個(gè)以環(huán)繞的方式移動(dòng)，這使得極低摩擦設(shè)計(jì)大大改善了泵的效 率。此外，渦旋泵的進(jìn)口流動(dòng)非常流暢，從而有助于防止測(cè)量室中的不穩(wěn)定
流動(dòng)0
注意，這些優(yōu)點(diǎn)通常也應(yīng)用于具有較低流速和不同傳感器類型的粒子計(jì) 數(shù)器中渦旋泵的使用，但對(duì)于采用光電倍增管(或者可能為一種所謂的雪崩 光電二極管)測(cè)量所允許的高流速運(yùn)行而言，高效泵的設(shè)計(jì)特別重要。
一般來說，根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際條件，本文中所描述的任意實(shí)施例或所提及 的任意選項(xiàng)都是特別有利的。此外，可將一個(gè)實(shí)施例的特征與另一個(gè)實(shí)施例 的特征以及已知特征結(jié)合，除非另外指出，這些已知特征來自于技術(shù)上盡可 能實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)有技術(shù)。
特別地，可采用來自現(xiàn)有技術(shù)的已知特征安裝根據(jù)本發(fā)明的粒子計(jì)數(shù) 器，例如多通道檢測(cè)、數(shù)字測(cè)量評(píng)估、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和外圍設(shè)備的電子鏈接等。
附圖是示意性圖解說明而沒有按尺度繪制，用來更好地理解本發(fā)明的特征。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明極其有利實(shí)施例的粒子計(jì)數(shù)器的大致裝置。
粒子計(jì)數(shù)器1安裝有渦旋泵2，該泵適于形成以100升每分鐘的最大流速通過粒子計(jì)數(shù)器l的氣流。渦旋泵2由于轉(zhuǎn)子渦輪3相對(duì)定子渦輪4'旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)而作用，并可在原理上將該渦旋泵設(shè)計(jì)為與其它應(yīng)用相結(jié)合的現(xiàn)有技術(shù) 中已知的渦旋泵相似。渦旋泵2高效地移動(dòng)裝置進(jìn)口 5處所采集到粒子負(fù)載 氣體通過粒子計(jì)數(shù)器l。為了改善可靠性和方便維修，渦旋泵2通過無刷電 云力才兒22馬區(qū)#0
盡管其它類型泵，比如凸輪泵和轉(zhuǎn)動(dòng)葉片泵，適用于傳送可接受能量消 耗的高流速。但更優(yōu)選的是使用渦旋泵，因?yàn)樵摫眠M(jìn)口處壓力波動(dòng)極低。
粒子負(fù)載氣體通過進(jìn)口噴嘴7進(jìn)入測(cè)量室6,并橫穿由激光二極管9產(chǎn) 生的光東8。除了激光二極管9，可以使用其它類型的激光器，比如氣體激 光器或固體激光器、甚至或者不相干的發(fā)光裝置，例如電容器放電燈可被使 用。然而，由于可用的激光二極管的低成本、低能量消耗以及小尺寸，因此 優(yōu)選地使用激光二極管9。
通過具有2.5mmX5mm的(矩形)最小孔和1.7倍率的光學(xué)系統(tǒng)11采 集氣流中夾帶的粒子所散射的光10。因此，最小孔的最小直徑和倍率的乘 積總計(jì)4.25mm。諸如2mm X 2mm的更小的孔，和諸如1的更小的倍率也在 本發(fā)明的范圍內(nèi)。然而，通過使用更大的孔和更高的倍率來改善該粒子計(jì)數(shù) 器的靈敏度和精度，其通過光電倍增管的使用成為可能n
注意，雖然示意性視圖1在平面繪圖中圖示了光束8和光學(xué)(檢測(cè))系 統(tǒng)ll,但光束8的光軸和光學(xué)系統(tǒng)11的光軸實(shí)際上;f皮此形成了一個(gè)角度。 典型地，光學(xué)系統(tǒng)ll的光軸被定向在與光束8的光軸成大約30度到120度 的角度內(nèi)，并垂直于橫穿光束8的氣流的流向。
-光學(xué)系統(tǒng)ll把由氣流和光束8交叉形成的測(cè)量體積的投影成像到傳感 器模塊13的活動(dòng)區(qū)域12上。傳感器模塊13包含與高壓電源密封在一起的 光電倍增管(PMT),也就是說，用于將粒子計(jì)數(shù)器l的電源的電壓轉(zhuǎn)換成 驅(qū)動(dòng)光電倍增管的更高電壓的電路?？梢苑奖愕赜秒姵貙?duì)粒子計(jì)數(shù)器1供電，從而允許其可移動(dòng)地運(yùn)行。
包括PMT的檢測(cè)電子適于傳遞帶有大于50兆伏每瓦的總增益少于3凝: 秒的上升時(shí)間。
除了使用包括高壓電源的傳感器模塊13,也可使用單獨(dú)的元件。然而， 自帶PMT模塊13的使用簡(jiǎn)化了粒子計(jì)數(shù)器1的設(shè)計(jì)。進(jìn)一步地，傳感器模 塊13在損壞時(shí)可容易地被替換。由于光電倍增管的實(shí)施，傳感器模塊13的 靈敏度和響應(yīng)速度高于硅或鍺光電二極管所能達(dá)到的靈敏度和響應(yīng)速度。
將傳感器13與評(píng)估傳感器模塊13的輸出信號(hào)的電子計(jì)數(shù)電路14相連， 用以計(jì)算測(cè)量室6內(nèi)造成光散射的粒子?？墒褂眠m用的輸出裝置例如顯示器 和/或打印機(jī)將運(yùn)行超過預(yù)定時(shí)間的粒子計(jì)數(shù)的結(jié)果輸出，，
通過出口 15離開測(cè)量室6的氣流穿過泵2并且通過排氣裝置16排出。 位于渦旋泵2的上游和/或下游的粒子過濾器在圖1中未示出。
為了控制通過粒子計(jì)數(shù)器1的氣流的流速，測(cè)量室6上游的第一位置 17和下游的第二位置18之間的壓差被測(cè)量。這既可以使用一壓差傳感器19 或者兩個(gè)單獨(dú)的壓力傳感器來實(shí)現(xiàn)。除了測(cè)量測(cè)量室6上游和下游的的壓 差，可測(cè)量粒子計(jì)數(shù)器1的氣體管道中任何限定的孔的兩側(cè)之間的壓差以確 定流速。使用控制單元21中的校準(zhǔn)功能或校準(zhǔn)值表、實(shí)際流速由測(cè)量的壓 差計(jì)算出的。
雖然不是優(yōu)選的，測(cè)量氣體流速的其它方法也是適用的。
控制單元21控制泵電動(dòng)機(jī)22以傳遞所期望的恒定流速。該控制單元可 包括允許用戶選擇一種流速的操作面板或其它裝置。
更優(yōu)選地，控制單元21和計(jì)數(shù)器電; 各14;f皮此連接，并且可利用常用的 用戶界面設(shè)定它們的參數(shù)設(shè)置。在髙粒子含量的環(huán)境中，控制單元2！可以 自動(dòng)降低流速，從而還可解決單粒子計(jì)數(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種粒子計(jì)數(shù)器，包括；泵(2)，用于產(chǎn)生通過所述粒子計(jì)數(shù)器的氣流，所述氣流攜帶將被量化的粒子負(fù)載，具有進(jìn)口(7)和出口(15)的測(cè)量室(6)，通過所述進(jìn)口(7)所述氣流進(jìn)入所述測(cè)量室(6)，通過所述出口(15)所述氣流流出所述測(cè)量室(6)，光源(9)，裝置，用于將所述光源(9)發(fā)射的光束(8)導(dǎo)入所述測(cè)量室(6)，從而所述光束(8)橫穿所述氣流，傳感器裝置(13)，用于檢測(cè)由所述粒子負(fù)載散射的光(10)，以及光學(xué)系統(tǒng)(11)，用于將所述散射光(10)成像到所述傳感器裝置(13)的活動(dòng)區(qū)域(12)上，其特性在于所述泵(2)適用于產(chǎn)生以至少50升/分鐘通過所述粒子計(jì)數(shù)器的最大氣流，最小孔的最小直徑和所述光學(xué)系統(tǒng)(11)的倍率的乘積總計(jì)至少2mm，并且所述傳感器裝置(13)包括一光電倍增管。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的粒子計(jì)數(shù)器，其特征在于，最小孔的最小直徑和所 述光學(xué)系統(tǒng)(11)的^咅率的乘積總計(jì)至少4mm。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子計(jì)數(shù)器，其特征在于，所述傳感器 裝置(13)適用于使得少于3微秒的上升時(shí)間和至少50兆伏/瓦的總增益成 為可能。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子計(jì)數(shù)器，其特征在于，所述泵(2) 為渦旋泵(2)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的粒子計(jì)數(shù)器，其特征在于，所述渦旋泵(2)由無刷 電動(dòng)機(jī)(2)驅(qū)動(dòng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的粒子計(jì)數(shù)器，其特征在于，所述渦旋泵(2)由 電池供電。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子計(jì)數(shù)器，還包括用于確定所述氣流 的流速的裝置，其中，用于確定流速的所述裝置包括用于確定所述粒子計(jì)數(shù) 器內(nèi)的所述流動(dòng)的流徑的第一位置(17)和第二位置(1.8)之間的壓力差的 裝置(19)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的粒子計(jì)數(shù)器，其特征在于，所述第一位置(17)在 所述進(jìn)口 (17)的上游，而所述第二位置(18)在所述出口 (15)的下游。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子計(jì)數(shù)器，其特征在于，所述光電倍 增管集成在包括高壓電源的模塊中。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子計(jì)數(shù)器，其特征在于，所述泵(2) 適用于產(chǎn)生以至少100升/分鐘通過所述粒子計(jì)數(shù)器的最大氣流。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子計(jì)數(shù)器，其特征在于，所述測(cè)量室 (6)為透鏡管(lense tube)。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子計(jì)數(shù)器，其特征在于，所述光源(9) 為激光光源(9)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的粒子計(jì)數(shù)器，其特征在于，所述光源(9)包括激 光二極管。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子計(jì)數(shù)器，其特征在于，所述粒子計(jì) 數(shù)器是便攜式的。
15.用于產(chǎn)生以至少50升/分鐘通過粒子計(jì)數(shù)器的渦旋泵(2)的用途，所述 氣流攜帶被所述粒子計(jì)數(shù)器量化的粒子負(fù)載。
全文摘要
粒子計(jì)數(shù)器(1)裝備有渦旋泵(2)，該渦旋泵適用于產(chǎn)生以至少50升/分鐘的最大流速通過測(cè)量室(6)的氣流。氣流中夾帶的粒子所散射的光由光學(xué)系統(tǒng)(11)采集。最小孔的最小直徑和光學(xué)系統(tǒng)的倍率的乘積總計(jì)至少2mm。特別優(yōu)選的是具有至少2.5mm的最小直徑和至少1.5的倍率的最小孔。所述光學(xué)系統(tǒng)(11)把由氣流和光束(8)交叉產(chǎn)生的測(cè)量體積的投影成像到傳感器模塊(13)的活動(dòng)區(qū)域(12)上。傳感器模塊(13)包含光電倍增管(PMT)。粒子計(jì)數(shù)器的靈敏度和精度都通過使用更大的孔和更大的倍率來改進(jìn)其可通過光電倍增管的使用成為可能。
文檔編號(hào)G01N21/53GK101454656SQ200780018902
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2007年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月29日
發(fā)明者D·米爾斯 申請(qǐng)人:生物測(cè)試股份公司