微型空氣粒子計數器開發

摘要：在光電半導體先進製程中，為防止空氣中落塵微粒造成線路斷路或層間沾黏，常以粒子計數器(particle counter) 來監控預警環境空氣粒子數量變化。粒子計數器一般為機台移動式或手持式，以往是以此設備針對重點區域進行定時定點抽測。隨著工業4.0 的發展，粒子計數器須能符合產線可大量佈點的需求進行24 小時監控，甚至安裝至機台內量測。工研院量測技術發展中心基於產業的需求，開發具備長效/ 微型/ 物聯網設計之微型空氣粒子偵測器產品。
Abstract：In the advanced manufacturing process of optoelectronic semiconductors, in order to prevent line breakage or interlayer adhesion caused by dust particles in the air, particle counters are often used to monitor
and warn changes in the number of ambient air particles. Particle counters are generally mobile or hand-held.
In the past, this equipment was used to conduct regular and fixed-point sampling tests on key areas. With the
development of Industry 4.0, the particle counter must be able to meet the needs of a large number of distribution points on the production line for 24-hour monitoring, and even be installed in the machine for measurement. Based on the needs of the industry, the Industrial Technology Research Institute, Center for Measurement Standards develops remote air particle counter products with long-term / miniature / Internet of things designs.
關鍵詞：微型空氣粒子計數器、無塵室微粒子監控、物聯網偵測器應用
Keywords：Remote particle counter, Clean room particle monitoring, IoT Detector Applications

前言
在光電半導體先進製程中，為防止空氣中落塵微粒造成線路斷路或層間沾黏，常以粒子計數器來做監控。粒子計數器的使用模式，原為大型粒子計數器的「推車量測」模式，雖然數值精確，但量測點僅能在走道上，量測次數及位置均受限；之後演進到「手持量測」模式，以體積較小的手持式粒子計數器進行量測。量測次數及位置雖更彈性，更接近機台待觀察位置，但仍無法完全滿足產線24 小時量測、機台內量測、可大量佈點的需求。所以本中心以此為目標，開發新型空氣微型粒子計數器產品，具備(1) 長效型 (2) 微型 (3)物聯網設計特徵，以符合工業4.0 之使用需求，提升產線良率及智慧工廠程度。根據MNMKS 市場調查報告資料顯示如圖1，全球空氣粒子計數器市場規模，從2016 年的2 億7,590 萬美元，到2021 年成長到3 億2,670 萬美元，預估到2025 會成至4 億3,630 萬美元，其中光電半導體約占23%。隨著對環境品質要求的提升，此部分需求預估將持續成長，並帶動相關產業之
需求量。
微型空氣粒子計數器簡介

傳統的粒子計數器為桌上型或手持式，除了核心的訊號偵測模組與放大轉換電路外，還包含抽氣幫浦、電池、操作介面與顯示螢幕。該粒子計數器可獨立運作，但體積較大，且無法連續量測。現代化的無塵室產線，往往具有負壓源及廠內數據連線，粒子計數器只需具有訊號偵測模組與訊號轉換電路，便可於廠內整合使用。工研院量測中心依此需求，開發粒子計數器，並符合長效、微型、與物聯網目標。本模組採用長效之雷射二極體作為光源，並儘量縮小偵測模組與電路版之體積；使偵測器體積微型化，且可以連續運作達數年以上。使用時須外接電源與負壓源，並連接到訊號接收與顯示裝置如電腦等，即可顯示量測數據。
基本設計原理
粒子偵測基本是使用光散射技術；當粒子被光照射時，會產生散射光，且散射光的強度，會隨著粒子的尺寸增加而增大。因此，只要測定散射光的強度，就可推知粒子的大小。粒子計數器之基本架構如圖2 所示；雷射光入射至有氣流通過之偵測區，當有粒子隨氣流通過偵測區時，會因雷射光的照射而產生散射光。藉由反射鏡或透鏡等光學元件收集，將散射光聚焦於光偵測器上，經由電路板做訊號轉換及放大後，會得到電脈衝訊號；電脈衝訊號的數量對應於粒子的個數，而電脈衝訊號的強度則對應於粒子的大小。依此邏輯設計演算法，即可計算出總粒子數與尺寸大小分布。

圖 1 空氣微粒感測器市場趨勢分析

圖 2 粒子計數器之基本架構