微型雷射微塵粒計數器光學傳感器的製作方法

2023-10-21 03:18:02

專利名稱：微型雷射微塵粒計數器光學傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種大規模半導體集成器件生產環境中微塵粒檢測設備的主要部件，特別是一種微型雷射微塵粒計數器光學傳感器。
目前，已有的雷射微塵粒計數器光學傳感器，如美國TS1公司的LPC-3755型雷射微塵粒計數器，德國Palas公司的HC-15型白熾光微塵粒計數器以及中國南京理工大學賀安之等人發明的可攜式雷射塵埃粒子計數器光學傳感器(專利號95239831.1)等，它們皆採用如透鏡、球面或橢球反射鏡等成像光學元件來形成微塵粒光敏測試區和作為散射光的光學收集器，其原理是，光源(雷射或白熾光)首先通過一系列組合透鏡被準直和聚焦後，在透鏡的焦點處得到一個光敏測試區，同時該光敏測試區被設計成為光學收集器的焦點。當樣氣通道中的微塵粒通過這一光敏測試區時，被光源所照射，並產生散射光，這些散射光再被光學收集器收集後通過自會聚或透鏡會聚至光電耦合器接收。所以，在現有技術中，無論光路如何設計，都離不開成像光學元件的聚焦特性(即成像原理)。而在微塵粒測試技術中採用成像光學元件所設計的光路存在以下一些缺點①為保證較高的成像質量與測試靈敏度，要求光學元件有較高的表面光潔度和與之相適應的精密機械調整部件，這樣會使其生產成本較高；②在大規模半導體集成器件超淨生產環境中，其微塵粒的濃度不大於3.5×10-5/cm3，這就要求微塵粒計數器光學傳感器具有較大的光敏測試區，而由於把成像光學元件的焦點作為光敏測試區，限制了測試區面積的大小，一般不大於10-2mm2，所以如此小的光敏測試區會使得微塵粒計數器的檢測效率下降③在微塵粒散射光的檢測時，同樣直徑的微塵粒在光敏區的不同位置，其散射光的光能量是不同的，位於焦點處的微塵粒散射光能量強，容易被光電耦合器接收，而偏離焦點的雷射粒散射光能量低，不易被接收，由此而產生的位置誤差較大，從而造成檢測誤差也較大。
本實用新型的目的在於提供一種由非成像光學元件組成的體積小、結構簡單且生成成本低的微型雷射微塵粒計數器光學傳感器。
本實用新型的目的是通過以下技術措施來實現的，這種微型雷射微塵粒計數器光學傳感器，其特徵在於它是由雷射光源、發射光導管和接收光導管構成，雷射光源位於發射光導管的入口處，發射光導管由光學上片和光學下片緊密配合而成，光學下片開有矩形凹槽，凹槽內間隔設置分光鏡和全反鏡，光學上片與光學下片的凹槽內分光鏡和全反鏡對稱位置開有兩個矩形通道，兩通道內側縱向對稱安裝有柱面鏡接收光導管也是由光學上片和光學下片緊密配合而成，光學上片上開有與發射光導管中光學上片相對應的兩個通道，光學下片兩端開有相對稱的喇叭形凹槽，在兩喇叭形凹槽內與光學上片兩通道的對應位置分別放有全反鏡，在兩喇叭形凹槽的出口處分別設置光電耦合器。測試時，樣氣通道垂直於發射光導管出射光路，接收光導管可位於樣氣通道後的任意角位置，但從整體體積考慮，可選擇接收光導管與發射光導管之間為90°角。雷射光源發出的具有高斯光強度分布的雷射，由發射光導管的光學下片凹槽中進入，經分光鏡和全反鏡後形成兩束平行的、光強度基本均勻的雷射平面，該光平面與樣氣通道垂直相交並作為光敏測試區，當微塵粒以一定的速度流經樣氣通道後，在t1時刻被光平面1所照射，所產生的散射光經接收光導管中光學上片一通孔和光學下片對應端喇叭形凹槽內的全反鏡反射，再由該出口處的光電耦合器接收並轉換成電信號，經過一段時間間隔後，該微塵粒在t2時刻又被另一光平面照射，所產生的散射光再經接收光導管中光學上片的另一通道和光學下片的另一對應端喇叭形凹槽內的全反鏡反射，最後由該出口處的光電耦合器接收並轉換成電信號，兩喇叭形凹槽可保證散射光在該光導管內通過反射始終向出口處的光電耦合傳輸。在本實用新型中，由同一微塵粒產生的兩路散射光信號經過信號處理技術後，能使背景噪聲大為降低，同時提高檢測信號的信噪比，使之正確檢測率得到提高。
本實用新型與現有技術相比其顯著的積極效果是①全部採用非成像光學元件，不需要聚焦特性，使得光敏測試區面積增大，可大於40mm2，同時使其光學部件的製造工藝更加簡便、有效；②經光學導管後形成的光平面，構成光敏測試區，可使同樣粒度的微塵粒在光敏測試區的不同點時，所受到照射光的強度基本相同，它產生的散射光不受位置變化而變化，因此，該技術方案大大降低了位置檢測誤差，經測試，在40mm2光敏測試區內的位置檢測誤差小於27％；③各部件可一次性製作在襯底之上，提高了精度，減少了安裝調整過程，縮小了整體體積，同時使生產成本大大降低，利用發明人自開發的模壓成形技術生產的光學部件成本只有傳統工藝的1/10，以發射光導管與接收光導管90°角設置，其傳感器的體積有隻20cm(長)×10cm(寬)×10cm(高)，重量為1公斤以下。
本實用新型的具體結構由以下附圖
和實施例給出。
附圖是根據本實用新型所述微型雷射微塵粒計數器光學傳感器的結構示意圖。
下面根據附圖，以兩光導管90°角設置的光學傳感器為例對本實用新型做進一步詳細說明。
參見附圖，根據本實用新型製作的微型雷射微塵粒計數器光學傳感器，主要由雷射光源1、發射光導管2和接收光導管6構成，發射光導管2和接收光導管6的管芯為聚酯塑料(n=1.52)，外層為其它聚合物，由於在製造過程中，不可能把管芯一次封入光導管的外層材料中，所以把發射、接收光導管分別分成上下兩片，在製造時，先根據光導管尺寸生產出相應的模具，然後把聚酯材料放入模具，在一定的高溫(～200℃)和真空條件下，通過模壓生產出所需的光導管，同時將光導管的上下片合二為一。光導管的內部結構敘述如下發射光導管2的光學下片(2-1)開有6.4mm(寬)、2mm深的凹槽，凹槽內間隔設置有分光鏡3和全反鏡4，分光鏡3的表面鍍有分光膜，其透射率50％，反射率50％，發射光導管2的光學上片(2-2)開有兩個6.4mm長、2mm寬的矩形通道，兩通道內側縱向設置對稱的柱面鏡5，它主要是對光束起準直作用，光學上片(2-2)與光學下片(2-1)組合時，應注意將光學上片的兩個通道分別對應光學下片中的分光鏡3和全反鏡4，為更好地吸收光束並消除雜光，在發射光導管的出射光路上還可設置一個光學吸收器，樣氣通道9位於發射光導管2的出射光路上，並垂直於出射光束。接收光導管6與發射光導管2呈90°角設置，接收光導管6的光學上片(6-1)上也開有與發射光導管2的光學上片相對應的兩個通道，接收光導管6的光學下片(6-2)兩端開有對稱的喇叭形凹槽，凹槽出口寬度為2mm方形，在兩喇叭形凹槽底端分別放有全反鏡7，全反鏡7分別接收從光學上片(6-2)中兩通道的光束，在喇叭形出口處分別放置光電耦合器8(如光電二極體)，接收光導管6的光學下片(6-2)上的兩個對稱喇叭形凹槽，其斜面設計應保證散射光在該凹槽導管內通過反射始終能向光電耦合器8傳輸。
權利要求1.一種微型雷射微塵粒計數器光學傳感器，其特徵在於它是由雷射光源[1]、發射光導管[2]、接收光導管[6]構成，光源[1]位於發射光導管[2]的入口處，發射光導管[2]由光學下片[2-1]和光學上片[2-2]緊密配合而成，光學下片[2-1]上開有凹槽，凹槽內間隔設置分光鏡[3]和全反鏡[4]，光學上片[2-2]與光學下片[2-1]凹槽內分光鏡[3]和全反鏡[4]對稱位置開有兩個矩形通道，兩通道內側縱向對稱安裝有柱面鏡[5]；接收光導管[6]也由光學上片[6-1]和光學下片[6-2]緊密配合而成，光學上片[6-1]上開有與發射光導管[2]中光學上片[2-1]相對應的兩個通道，光學下片[6-2]兩端開有對稱的喇叭形凹槽，在兩喇叭形凹槽內與光學上片[6-1]兩通道對應位置分別放有全反鏡[7]，在兩喇叭形凹槽的出口處分別設置有光電耦合器[8]。
2.根據權利要求1所述的微型雷射微塵粒計數器光學傳感器，其特徵在於發射光導管2與接收光導管[6]的管芯為聚酯塑料，外層材料為其它聚合物。
3.根據權利要求1或2所述微型雷射微塵粒計數器光學傳感器，其特徵在於發射光導管[2]與接收光導管[6]之間為90°角設置。
4.根據權利要求1或2所述的微型雷射微塵粒計數器光學傳感器，其特徵在於發射光導管[2]中的分光鏡[3]表面鍍有分光膜。
專利摘要本實用新型公開了一種微型雷射微塵粒計數器光學傳感器,它是由雷射光源、發射光導管和接收光導管構成,發射光導管將雷射分成兩束平行的、光強度基本均勻的光平面,照射樣氣通道內微塵粒的散射光由接收光導管傳輸給光電耦合器。本實用新型體積小,重量輕,全系統均採用非成像元件,光敏測試區大於40mm
文檔編號G06E3/00GK2331992SQ97243028
公開日1999年8月4日 申請日期1997年12月8日 優先權日1997年12月8日
發明者羅軍, 吳軍基 申請人:羅軍