(57)【要約】  本発明は、気相中の粒子を、特にその濃度を測定する装置（１）に関し、少なくとも１つの粒子センサ構造（４）が設けられており、流動通路（２）が設けられ、この流動通路（２）を通して気相を案内可能であり、粒子センサ構造（４）は流動通路（２）を通って流れる気相を測定するために位置決めされた少なくとも１つのセンサを有する。さらに本発明は、気相中の粒子濃度を測定するためのこのような装置（１）の利用法に関する。さらに本発明は、このような装置（１）によって気相中の粒子を、特にその濃度を測定する方法に関し、特に粒子を運ぶ気相が流動通路（２）を通るように案内され、気相中の粒子が少なくとも部分的に特に的確に、少なくとも１つのセンサを有する少なくとも１つの粒子センサ構造（４）に向かって案内され、少なくとも１つの物理量が、たとえば少なくとも１つの温度の変化および／または振動が少なくとも１つのセンサによって測定される。
2020510821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの粒子センサ構造が設けられている、気相中の粒子を、特にその濃度を測定する装置において、流動通路が設けられ、この流動通路を通して気相を案内可能であり、前記粒子センサ構造は前記流動通路を通って流れる気相を測定するために位置決めされた少なくとも１つのセンサを有する装置。
【請求項２】
少なくとも１つの前記粒子センサ構造は前記流動通路の領域に、好ましくは前記流動通路の内部および／または表面に位置決めされる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
少なくとも１つの前記粒子センサ構造の前記センサは加熱部材として、特に少なくとも１つの温度センサを有する、好ましくはそれぞれ温度センサを有する加熱部材として構成される、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記粒子センサ構造の前記センサはそれぞれ少なくとも１つのナノワイヤを有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記粒子センサ構造の前記センサはアレイとして、好ましくは線形のアレイとして配置され、前記センサは好ましくはチップの上に配置される、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つの流体加速手段が設けられる、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つの前記流体加速手段は加熱装置として構成され、前記加熱装置は少なくとも１つの加熱部材と好ましくは温度センサとを有し、少なくとも１つの前記加熱部材は好ましくはチップの上に配置される、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
少なくとも１つの偏向装置が設けられ、少なくとも１つの前記偏向装置は前記流動通路の領域に、特別に好ましくは前記流動通路の内部および／または表面に位置決めされる、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
少なくとも１つの前記偏向装置は少なくとも１つの前記粒子センサ構造と向かい合うように位置決めされる、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記流動通路の第１の開口部は第２の開口部と少なくとも同じ大きさの、特にこれよりも大きい断面積を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
少なくとも１つの前記粒子センサ構造は少なくとも部分的にコーティング、たとえば付着防止コーティングを有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
加熱部材を制御するための少なくとも１つの制御ユニットが設けられる、請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置の利用法において、気相中の粒子濃度を測定するための利用法。
【請求項１４】
装置を、特に請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置を有する、気相中の粒子を、特にその濃度を測定する方法において、特に粒子を運ぶ気相が流動通路を通るように案内され、気相中の粒子が少なくとも部分的に特に的確に、少なくとも１つのセンサを有する少なくとも１つの粒子センサ構造に向かって案内され、少なくとも１つの物理量が、たとえば少なくとも１つの温度の変化および／または振動が少なくとも１つのセンサによって測定される方法。
【請求項１５】
少なくとも１つの前記粒子センサ構造の少なくとも１つの前記センサは２００℃よりも低い温度、特に５０℃から１５０℃の間の温度、特別に好ましくは約１００℃の温度に加熱される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記粒子センサ構造の少なくとも１つの前記センサは少なくとも部分的に一定の出力で加熱され、もしくは暖められる、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１つの加熱装置が少なくとも１つの前記粒子センサ構造よりも高い温度に、たとえば少なくとも２００℃に、特に２３０℃から４００℃の範囲内の温度に、好ましくは２５０℃から３５０℃の範囲内の温度に、特別に好ましくは約３００℃にされる、請求項１４から１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
複数のセンサの信号が互いに別々に読み取られる、請求項１４から１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記粒子センサ構造を洗浄するために前記粒子センサ構造の加熱部材が少なくとも２００℃、特に２５０℃から４００℃の範囲内の温度、特別に好ましくは３００℃にされる、請求項１４から１８のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相中の粒子を、特にその濃度を測定する装置に関し、少なくとも１つの粒子センサ構造が設けられる。
【０００２】
さらに本発明は、このような装置の利用法に関する。
【０００３】
さらに本発明は、気相中の粒子を、特にその濃度を測定する方法に関し、装置を、特に冒頭に述べた種類の装置を有している。
【背景技術】
【０００４】
従来技術より、気相中の粒子濃度を検出する装置が知られている。公知の測定システムは、たとえば粒子がセンサに堆積したときの導電性の変化を測定する抵抗性の粒子センサである。これに加えて圧電結晶をベースとする測定システムが知られており、同じく粒子がセンサに堆積しなければならない。さらに、気相の粒子での光散乱が粒子濃度の決定のために利用される光学式の測定システムが知られている。
【０００５】
このような装置で欠点となるのは、一方では、測定時に少なくとも部分的に粒子の堆積が起こり、このことが粒子センサの再生をコスト高にし、または粒子センサの耐用寿命を短くすることにある。他方では、たとえば光源を含む光学系などの、高いコストのかかる高価な構造が必要となることがある。測定結果に対する大きな粒子の影響が、小さい粒子に比べて高くなることも頻繁にある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって本発明の課題は、少なくとも粒子濃度の高感度で確実な測定のために、洗浄コストや再生コストが削減され、製造に関して低コストであるとともにほぼメンテナンスフリーであるコンパクトな粒子センサを提供することにある。
【０００７】
本発明のさらに別の目的は、本発明による装置の利用法を提供することにある。
【０００８】
本発明のさらに別の課題は、使用される粒子センサの洗浄コストが最小化される、少なくとも粒子濃度を測定するための高感度で確実な方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は本発明により、冒頭に述べた種類の装置において、流動通路が設けられ、この流動通路を通して気相を案内可能であり、粒子センサ構造は、流動通路を通って流れる気相を測定するために位置決めされた少なくとも１つのセンサを有することによって解決される。このとき気相は、たとえば微細ダスト（たとえばＰＭ１０，ＰＭ２．５）、超微細ダストなどの粒子を運ぶことができる。
【００１０】
本発明による装置によって実現される１つの利点は、特に、粒子を運ぶ気相を、流動通路を通して、粒子センサ構造のすぐそばを通るように案内できるという点に見ることができる。それによってコンパクトな、特に小型化された構造が可能となり、装置がさらに大きな流動システムの一部として構成されていなくてもよく、ただしそのように構成されていてもよい。
【００１１】
少なくとも１つの粒子センサ構造が流動通路の領域に、好ましくは流動通路の内部および／または表面に位置決めされることが意図されていてよい。粒子センサ構造は流動通路の内面に位置決めされるのが特別に好ましい。それにより、非常にコンパクトな設計形態で、粒子を運ぶ気相が必然的に粒子センサ構造のそばを流れることが保証される。その代替として、粒子センサ構造が流動通路の端部に後続して位置決めされていてよい。
【００１２】
少なくとも１つの粒子センサ構造のセンサが加熱部材として、特に少なくとも１つの温度センサを有する、好ましくはそれぞれ温度センサを有する加熱部材として構成されると好ましい。温度センサは加熱部材に直接的に組み込まれるのが好ましい。それにより、加熱部材を特定の温度にすることが可能であり、加熱部材の温度の変化を測定可能であり、および／または加熱部材の温度を一定に保つことができることが保証される。それぞれ個々の加熱部材の温度を別々に測定可能であり、そのために相応の手段が設けられるのも好ましい。粒子センサ構造の加熱部材はサイズに関して変更することができ、たとえばマイクロヒートプレートやナノ加熱部材として、たとえばナノワイヤとして構成されていてよい。温度センサはたとえば熱電対またはサーモエレメント、ダイオードなどとして構成されていてよい。
【００１３】
少なくとも１つの粒子センサ構造のセンサがそれぞれ少なくとも１つのナノワイヤを有していると、好ましい場合があり得る。ナノワイヤはたとえば当たった粒子によって振動させることができ、その後にこの振動を、たとえば圧電効果を利用したうえで測定可能である。その代替として、ナノワイヤの導電性を測定可能であってもよい。
【００１４】
粒子サイズに依存して粒子濃度を測定するために、粒子センサ構造のセンサがアレイとして、好ましくは線形のアレイとして配置されると好ましく、センサがチップの上に配置されるのが好ましい。このとき、一方ではセンサは一列に配置されていてよく、他方ではそのような列が複数でたとえば並列に配置されていてよい。チップの上へのセンサの配置によって、特別にコンパクトな、特に小型化された設計形態が可能となる。
【００１５】
たとえば気相などの流体を流動通路を通して案内するために、少なくとも１つの流体加速手段が設けられていると好ましい。少なくとも１つの流体加速手段は、たとえば流動通路の前および／または後に配置されていてよい。その代替として、少なくとも１つの流体加速手段は流動通路の内部および／または表面に位置決めされていてよい。流体加速手段はたとえばファン、ベンチレータなどであってよい。
【００１６】
少なくとも１つの流体加速手段は加熱装置として構成されるのが特別に好ましく、加熱装置は少なくとも１つの加熱部材と好ましくは温度センサとを有し、少なくとも１つの加熱部材はチップの上に配置されるのが好ましい。このとき、たとえば加熱装置は気相を流動通路の中で加熱し、特にその気体粒子および／または気体分子を加速させ、それによって熱による対流が生じ、気相が煙突効果に従って流動通路を通って流れる。１つまたは複数の加熱部材を一定の温度に保つために温度センサが設けられていてよく、そのために必要な加熱出力を測定することができ、または、たとえば一定の加熱出力のもとで、１つまたは複数の加熱部材の温度変化を測定することができる。その代替として、温度の的確な変化を、たとえば温度ランプを生起することもでき、そのために必要な出力を測定することができる。そのために基本的に任意の出力上昇、たとえば連続的、段階的、もしくは鋸刃状の上昇を生成することができる。各々の加熱部材についてそれぞれ１つの温度センサが設けられるのが特別に好ましい。チップの上への加熱部材の配置によって加熱装置が特別にコンパクトに、特に小型化して構成されていてよい。加熱装置はたとえば粒子センサ構造と類似または同一の構成となっていてよく、加熱装置ではさらに高い動作温度が意図される。このとき加熱部材はたとえばマイクロヒートプレートとして構成されていてよい。
【００１７】
少なくとも１つの偏向装置が設けられていると好ましく、少なくとも１つの偏向装置は流動通路の領域に、特別に好ましくは流動通路の内部および／または表面に位置決めされる。このような偏向装置は、気相および／または気相中の粒子を粒子センサ構造に向かって誘導するために設けられていてよい。偏向装置は、たとえば流動通路の中で斜めに配置されたプレートのような案内部材として構成されていてよい。その代替または追加として、粒子を偏向させるための静電場を生成する装置が設けられていてもよい。
【００１８】
少なくとも１つの偏向装置は少なくとも１つの粒子センサ構造に向かい合うように位置決めされるのが特別に好ましく、それにより、気相および／または気相中の粒子を簡単な仕方により粒子センサ構造に向かって誘導可能である。このような偏向装置は、たとえば加熱装置として構成されていてよい。それによって流動通路の中で温度勾配が生じることができ、気相中の粒子が熱泳動により粒子センサ構造に向かって偏向される。
【００１９】
流動速度を減速させないために、流動通路の第１の開口部が第２の開口部と少なくとも同じ大きさの、特にこれよりも大きい断面積を有していると好ましい。たとえば流動通路が流動方向で連続的および／または段階的に先細になるように構成されることが意図されていてよい。このとき流動方向は第１の開口部から第２の開口部へと定義され、気相の流入は第１の開口部を通して行われ、気相の流出は第２の開口部を通して行われる。このとき粒子は気相によって共に運ばれる。
【００２０】
粒子の堆積を防止するために、少なくとも１つの粒子センサ構造は少なくとも部分的にコーティング、たとえば付着防止コーティングを有することが意図されていてよい。これに加えて、流動通路および／または加熱装置も付着防止コーティングを有することができる。このようなコーティングの付着作用が温度依存的であるのが好ましい場合があり得る。それに応じて測定をするために、コーティングが、付着作用が高くなり粒子が粒子センサ構造に付着する温度にされる。再生をするために、コーティングを、付着作用が低くなり粒子が粒子センサ構造から剥離する別の温度にすることができる。後者の場合、コーティングは付着防止コーティングとしての役目を果たす。電気泳動効果を回避するために、コーティングが静電気防止コーティングとして構成されていてもよい。このようなコーティングは、他のコーティングに追加して設けられていてもよい。温度はたとえば加熱部材または少なくとも１つの冷却装置によって、たとえばペルチエ素子によって、調整することができる。連続式の測定を保証するために、複数のセンサでたとえばセンサペアが設けられることが意図されていてもよく、それぞれ１つのセンサが再生されて、１つのセンサが測定動作になる。その代替として２つの粒子センサ構造が設けられていてもよく、そのつど１つの粒子センサ構造が再生され、それに対して他方が測定動作になる。
【００２１】
加熱部材を制御するための少なくとも１つの制御ユニットが設けられると好ましい。それにより、加熱装置および／または粒子センサ構造の加熱部材を一定の温度に保つことができ、および／または一定の出力で作動させることができる。このとき周囲への熱放出は粒子濃度に依存し、したがって一定の出力での作動時には、加熱部材の温度の変化が粒子濃度に依存する。さらに制御ユニットは、測定結果に対応できるようにするために、またはそれに応じて加熱出力を適合化するために、読取・評価ユニットを含むことができ、または読取・評価ユニットと接続することができる。
【００２２】
本発明の別の目的は、気相中の粒子濃度を測定するための本発明による装置の利用法で達成される。
【００２３】
本発明の別の目的は、冒頭に述べた種類の方法において、特に粒子を運ぶ気相が流動通路を通るように案内され、気相中の粒子が少なくとも部分的に特に的確に、少なくとも１つのセンサを有する少なくとも１つの粒子センサ構造に向かって案内され、少なくとも１つの物理量が、たとえば少なくとも１つの温度の変化および／または振動が少なくとも１つのセンサによって測定されることによって達成される。このとき測定は、たとえば弾性表面波測定（ＳＡＷ）や圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ）など、さまざまな測定原理に依拠することができる。その代替として、容量式または静電式の測定として測定を行うこともできる。物理量の測定のさらに別の選択肢は圧電効果の活用にある。
【００２４】
本発明の方法によって得られる利点は、特に、少なくとも１つのセンサで、または測定のために使用される装置のその他の部品で、粒子の堆積が起こらないという点に見ることができる。
【００２５】
少なくとも１つの粒子センサ構造の少なくとも１つのセンサが２００℃よりも低い温度に、特に５０℃から１５０℃の間の温度に、特別に好ましくは約１００℃に加熱されると好ましい。
【００２６】
粒子センサ構造の少なくとも１つのセンサは少なくとも一時的に一定の出力で加熱され、もしくは暖められるのが特別に好ましい。それにより、センサ温度または粒子センサ構造の加熱部材の温度が粒子濃度に依存して変化することが可能である。たとえば粒子がセンサに当たるとセンサが冷却される。加熱出力は一定のままであるのに対して、熱が粒子に運び出されるからである。このような温度の変化を測定することができる。温度の変化から、粒子濃度を判定することができる。パルス動作のとき、またはは少なくとも一時的に一定の出力での動作のとき、たとえば加熱部材を特定の時間帯の間一定の出力で加熱することができ、またはインターバルをおいて加熱することができる。その代替として、加熱部材を階段状の出力上昇をもって加熱することもでき、それぞれの段階で出力が一定に保たれる。
【００２７】
粒子の熱泳動または熱拡散を引き起こすために、少なくとも１つの加熱装置が少なくとも１つの粒子センサ構造よりも高い温度に、たとえば少なくとも２００℃に、特に２３０℃から４００℃の範囲内の温度に、好ましくは２５０℃から３５０℃の範囲内の温度に、特別に好ましくは約３００℃にされると好ましい。加熱装置が粒子センサ構造よりも高い温度を有しているとき、加熱装置から粒子センサ構造へと温度勾配が延びていき、この温度勾配に沿って熱泳動効果が生じ、その際に、気相中の粒子が粒子センサ構造の方向へと偏向される。
【００２８】
粒子濃度をサイズ依存的に測定できるようにするために、複数のセンサの信号が互いに別々に読み取られると好ましい。たとえば個々のセンサまたは加熱部材の温度を読み取って分析することができる。それに応じて粒子濃度をそれぞれ個々のセンサについて決定し、その後に、気相中の粒子の濃度を気相中の粒子のサイズに依存して決定することができる。
【００２９】
堆積した粒子を粒子センサ構造から取り除くために、粒子センサを洗浄するために粒子センサの加熱部材が少なくとも２００℃、特に２５０℃から４００℃の範囲内の温度、特別に好ましくは３００℃にされると好ましい。このとき加熱装置が作動していないか、または２００℃よりも低い温度にされると、熱泳動効果の逆転を行うことができ、それによって粒子が粒子センサ構造から離れるように案内される。その代替として、粒子をセンサ表面から剥離するために、またはは粒子を燃焼するために、粒子センサ構造で高い温度を設定することもできる。これに加えてセンサ冷却のための装置、たとえばペルチエ素子が設けられていてよい。
【００３０】
以下において、本発明について詳細に説明する。その際に参照する図面には次のものが示されている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１ａ】本発明による装置を示す断面図である。
【図１ｂ】代替的な実施形態を示す断面図である。
【図１ｃ】装置の別の代替的な実施形態である。
【図２】流動通路を示す模式図である。
【図３ａ】加熱部材を示す模式図である。
【図３ｂ】加熱部材の別の実施形態である。
【図３ｃ】加熱部材の別の実施形態である。
【図３ｄ】加熱部材を示す断面図である。
【図４】チップの写真である。
【図５】出力変化の考えられるモードを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１ａは、本発明による装置１の断面図を示している。装置１は、流動通路２と、加熱装置３と、粒子センサ構造４とを含んでおり、少なくとも１つの部材２１が流動通路を構成する。これに加えて図１ａは、破線で図示する、たとえば隆起部３１として構成されていてよい任意選択の偏向装置を示している。このような偏向装置は、種類および／または機能形態に応じて、流動通路２のさまざまな位置に配置されていてよい。偏向装置の機能形態はたとえば機械式であってよく、それは、気相の流れを偏向させる隆起部３１、凹部、および／または偏向プレートが設けられることによる。その代替として偏向装置の機能形態は、たとえば熱泳動効果などのこれ以外の効果に依拠することができる。そのために、加熱装置３が偏向装置としての役目を果たすことができる。本実施形態では、第１の開口部５は第２の開口部６よりも大きい断面積を有している。両方の開口部５，６は、ここでは長方形の断面を有している。第１の開口部５の辺の長さ、特に短いほうの辺の長さは基本的に任意に、好ましくは２０ｍｍよりも短く、特に３ｍｍから５ｍｍで構成されていてよい。流動通路２の第２の開口部６の辺の長さ、特に短いほうの辺の長さは基本的に任意に、好ましくは１０ｍｍよりも短く、特に１ｍｍから２ｍｍで構成されていてよい。開口部５，６が円形状である場合、これらの辺の長さはそれぞれ開口部５，６の直径に相当する。第１の開口部５を通って気相が、たとえば粒子を運ぶ周囲空気が、流動通路２の中に入ることができる。そのために、第１の開口部５は流動配管系を介して、たとえば管および／またはホースを介して、周囲と接続されることが意図されていてよく、それにより、気相を周囲から、たとえば側方および／または上方から追加案内し、またはは吸い込むことができる。気相はその後の過程で、流動通路２の他方の端部のところで、第２の開口部６を通って再び流動通路２から外に出る。流動方向は、一般に、第１の開口部５から第２の開口部６へと延びている。流動方向は垂直方向であるのが好ましいが、水平方向であってもよく、それは特に、流動通路２がさらに大きな流動システムの一部である場合である。流動通路２の高さは原則として任意であり、好ましくは５０ｍｍよりも小さく、特に１０ｍｍから２５ｍｍであってよい。
【００３３】
加熱装置３の領域では、加熱装置３と粒子センサ構造４との間に温度勾配が生じ、それによって気相中の粒子が熱泳動効果を受ける。それにより、加熱装置３が粒子に対する偏向装置として作用する。気相中の粒子の動きが図１ａでは矢印で示唆されており、直径が大きい粒子は基本的に短い矢印に従い、それに対して直径が小さい粒子は基本的に長い矢印に従う。それに応じて、矢印の長さは粒子の直径と相関関係にある。粒子の平均直径は、典型的には０．１μｍから５μｍの間である。それに応じて熱泳動は、大きい粒子を小さい粒子よりも強く偏向させる。それによって流動方向で粒子のサイズ分別が生じるので、このような装置１で粒子濃度をサイズ依存的に測定することができる。そのために、粒子センサ構造４が線形のアレイとして構成されていると好ましく、個々のセンサが流動方向に沿って配置される。このとき各センサが一列に配置されると好都合であり、複数の列が相並んで配置されていてよい。それに応じて大きい粒子は第１の開口部５の近くに位置決めされたセンサに向かって誘導され、小さい粒子は第１の開口部５からさらに離れて第２の開口部６の近くにあるセンサに向かって誘導される。
【００３４】
図１ｂに示す実施形態では、流動通路２はシリコン貫通電極（Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｖｉａ）として構成されている。複数の基板、好ましくはシリコンウェーハが相上下して積層されるこのような取り組みにより、装置１をウェーハスケールで提供することができる。このとき流動通路２はサブミリメートル範囲の直径、たとえば１０μｍから２５０μｍの間、特に約８０μｍの直径を有することができる。このようなウェーハスケールの装置１では流動通路２の高さが明らかに縮小される。たとえばこの高さはシリコンウェーハのオーダーであり、たとえば１ｍｍまたはこれ以下である。本実施例では、第１の開口部５と第２の開口部６の断面積は実質的に等しい大きさである。このような流動通路２を作成するために、シリコン貫通電極をシリコンの少なくとも１つの層にエッチングすることができる。これに加えて、さらに長い流動通路２を構成するために、シリコンの複数の層が相上下して積層されていてよい。さらに同じくシリコンの上に、またはこれに接して装着され、または取り付けられた加熱装置３ならびに粒子センサ構造４が設けられている。加熱装置３と粒子センサ構造４はサイズと形状に関して、流動通路２の中で気相が周囲を流れることができるように構成される。加熱装置３と粒子センサ構造４は、そのためにたとえば図３ａから図３ｃに示すような加熱プレート７またはバー１１を含むことができる。図１ｂに示す実施例では、加熱装置３と粒子センサ構造４の間の温度勾配は下から上に向かって気相の流動方向に沿って延びており、したがって、サイズに応じた粒子の分別を行うことはできない。
【００３５】
図１ｃに示す実施形態では、流動通路２は同じくシリコン貫通電極を含んでおり、特にそれぞれ直径の異なるシリコン貫通電極を含んでいる。ここでは流動通路２は３つの区域を含んでおり、第１の区域は第２の区域によって第３の区域と結合される。第１および第３の区域は実質的に同じ構成となっていて、ほぼ等しい直径を有している。ただし第１および第３の区域のシリコン貫通電極は、互いにオフセットされて位置決めされている。流動方向はこれらの区域で垂直方向に延びている。第２の区域は、直径がこれよりも大きいシリコン貫通電極を含んでいる。流動方向はこの区域では水平方向に延びる。加熱装置３ならびに粒子センサ構造４は、ここでは第２の区域で互いに向き合うように水平方向に位置決めされる。温度勾配は、ここでは流動方向に対して実質的に垂直方向に延びるので、粒子のサイズ分別を行うことができる。
【００３６】
熱泳動によるサイズ分別を可能にするためには、一般に、加熱装置３と粒子センサ構造４が流動通路２のそれぞれ異なる側面に、好ましくは流動通路２の向かい合う側面に、特に互いに近似的に向き合うように位置決めされることが必要である。これに加えて温度勾配が流動方向を横切っていると好ましく、すなわち、温度勾配と流動方向が平行に延びるのではないと好ましい。温度勾配が流動方向に対してほぼ垂直方向に延びるのが特別に好ましい。ここで説明している実施形態は、サイズ分別をするための最小コンフィグレーションである。当然ながら装置１が、少なくとも１つの加熱装置３と少なくとも１つの粒子センサ構造４からなる任意の組み合わせを含むこともできる。
【００３７】
なお、図１ａから図１ｃに示す実施形態は任意の向きであってよく、または回転させることができ、それによって流動方向が水平方向または垂直方向から相違する。
【００３８】
図２には、流動通路２の実施形態の模式図が示されている。流動通路２はその代替としてさらに大きい流動システムの一部であってもよく、流動通路２を介して外に出る気相を、流動通路２の周囲から再供給することができる。
【００３９】
図３ａは、加熱部材７の実施形態の模式図を示しており、基板１２に凹部８がエッチングされている。凹部８のほぼ中央に加熱プレート９が配置されている。凹部８はたとえば基板１２の全面に及ぶことができ、その後に粒子センサ構造４または加熱部材３が図１ｂに示すように準備されていてよい。加熱プレート９はたとえば熱抵抗器として構成されていてよい。たとえば電流を加熱プレート９に通すことができる。これに加えて加熱プレート９の抵抗を測定することができる。図３ａに示す加熱プレート９は正方形に構成されているが、これ以外の形状、たとえば長方形、多角形、あるいは円形または楕円形などが意図されていてもよい。加熱装置３の加熱プレート９はマイクロヒートプレートとして構成されていてよく、５００μｍよりも小さい、特に約５μｍから１００μｍの辺の長さを有することができる。このような加熱プレートの厚みは５０μｍよりも小さく、特に約０．５μｍから１０μｍであってよい。さらに、このような加熱プレート９は引込線アーム１０と接続される。引込線アーム１０はたとえば５μｍよりも大きい、特に１０μｍから３００μｍの長さと、１００μｍよりも小さい、特に５μｍから５０μｍの幅とを有することができる。引込線アーム１０の厚みは５０μｍよりも小さく、特に約０．５から１０μｍであってよい。加熱装置３の加熱プレート９はそれぞれ異なるサイズを有することができ、すなわち、加熱装置３のすべての加熱プレート９が等しい大きさでなくてよい。同じことは、粒子センサ構造４の加熱プレート９にも当てはまる。これに加えて粒子センサ構造４の加熱プレート９は、加熱装置３の加熱プレート９よりも明らかに小さく、たとえばナノワイヤなどのナノ加熱部材として構成されていてよく、電流がこのようなナノ加熱部材に通されて、任意選択として電気抵抗を測定することができる。加熱プレート９は少なくとも部分的にシリコン、金属酸化物、たとえば酸化亜鉛、酸化銅、酸化タングステンなどの半導体材料、および／または白金などの金属から構成されていてよい。温度センサは、加熱プレート９や引込線アーム１０と同じオーダーで構成されていてよい。
【００４０】
その代替として、図３ｂに示すように、２つの引込線アーム１０だけが加熱プレート９まで設けられていてよい。２つの引込線アーム１０は、図３ｂのように、１８０°の角度をなすことができる。当然ながら、２つの引込線アーム１０がこれ以外の角度をなすこともでき、たとえば約９０°の角度をなすことができる。任意の数の引込線アーム１０が設けられることも考えられる。
【００４１】
その代替として、加熱プレート９の寸法が引込線アーム１０の寸法と同じであってよい。それによって連続するバー１１がもたらされる。このようなバー１１が図３ｃに示されている。当然のことながら、このような複数のバー１１が設けられていてもよい。複数のバー１１は互いに平行に配置されるのが好ましい。このような種類のバー１１は寸法設定に関して、すなわち幅、長さ、および厚みに関してそれぞれ相違していてよく、あるいは特に引込線アーム１０と同じように構成されていてよい。バー１１がナノワイヤ１１として、サブマイクロメートル範囲の、特に１０ｎｍから５００ｎｍの間の幅および／または厚みを有するように構成されていてよいのが特別に好ましい。ナノワイヤはたとえばトランスファプロセスを通じて、たとえば析出や酸化によって、基板１２または加熱プレート９に転移させることができる。加熱プレート９が電極を有することが意図されていてもよく、たとえばナノワイヤがそれぞれ２つの電極の間に配置されていてよい。それにより、たとえばそれぞれの電極の間の電気抵抗を測定し、それに伴ってたとえば温度効果を測定することができる。ナノワイヤは少なくとも部分的に金属酸化物から、たとえば酸化亜鉛から構成されるのが好ましい。
【００４２】
図３ａから図３ｃに示す直線状の引込線アーム１０および／またはバー１１の代替として、引込線アーム１０および／またはバー１１が任意に、たとえば湾曲して、および／またはジグザグ状に延びることもできる。
【００４３】
図３ｄは加熱部材７を断面図で示しており、凹部８が基板１２にエッチングされ、その上に連続するバー１１が配置されている。
【００４４】
加熱部材７は、図３ａから図３ｄに示すように、粒子センサ構造４および／または加熱装置３に設けられていてよい。
【００４５】
加熱装置３では加熱部材７が一定の温度に保たれ、好ましくは３００℃に保たれ、それにより、たとえば熱による対流によって気相を流動通路２を通るように案内し、および／または温度勾配を生成する。そのために加熱装置３をたとえば１ｍＷ超、好ましくは５ｍＷから２０ｍＷ、特に約１０ｍＷで作動させることができ、所望の温度を一定に保つために出力が適合化されて、測定の過程で調節される。加熱部材７は均等に、たとえば直流電流で、またはパルス式に作動させることができる。
【００４６】
粒子センサ構造４の均等な動作のとき、加熱部材７は一定の出力で、たとえば１ｍＷまたはこれ以上で作動して特定の温度にされ、たとえば１００℃である所望の測定温度を実現するために出力が適合化される。測定の過程では、たとえば出力が一定に保たれる。温度の変化を温度センサによって検出することができる。温度の変化から、その後に粒子濃度を判定することができる。
【００４７】
図５は、加熱部材７を作動させるときの考えられるモードを示している。たとえば測定の過程を通じて出力が一定に保たれるべきである場合、このことは、区域１４または１５に示すように、パルス式または連続式に行うことができる。測定の過程を通じて出力が変更されるべきである場合、このことは、区域１６に示すように、同じくパルス式に行うことができ、この場合、それぞれ特定の時間の間温度が一定に保たれる。その代替として、区域１７に示すように、測定の過程を通じて出力の変更を連続的に行うことができる。それぞれの区域は任意の長さであってよく、異なる測定の途中および／または間で任意に組み合わされていてよい。個々のパルも同じく任意の長さであってよい。これに加えて、それぞれ２つのパルスの間にポーズが任意の長さであってよく、かつ特に省略されていてもよく、それによって出力の段階的な変更が行われる。変更可能な温度での動作のとき、またはそれぞれ異なる温度サイクルでの動作のとき、たとえば環境の影響、たとえば気相の湿度の影響や気相の相違する組成も判定することができ、それによって粒子濃度の測定を修正することができる。それにより、たとえば測定の精度を高めることができる。出力の変更は図５に示すモードに限定されるものではなく、たとえば鋸刃形状などのこれ以外の形態に従うこともできる。
【００４８】
粒子センサ構造４のパルス式の動作では、加熱部材７がたとえば２００℃まで急速に、たとえば２０ｍｓ以内に加熱される。事前設定された時間の後、典型的には数秒後、加熱部材７が再びスイッチオフされる。加熱時間と冷却時間はそのつど周囲への熱放出に依存し、すなわち粒子濃度に依存する。したがって加熱曲線および／または冷却曲線の勾配と形状から、粒子濃度を判定することができる。
【００４９】
別の実施形態では、ナノワイヤとして構成されたバー１１を有する加熱部材７が粒子センサ構造４に設けられていてよい。このとき粒子濃度の判定は、同じく温度の変化を通じて行うことができる。その代替として、当たった粒子によってナノワイヤを振動させることができる。このとき粒子濃度は、圧電効果を活用したうえで決定することができる。
【００５０】
制御をするために、粒子センサ構造４の加熱部材７を測定動作に比べて高い一定の温度にし、たとえば３００℃にすることができる。そのために、加熱部材７を加熱装置３の場合と同じように作動させることができる。
【００５１】
図４は、８つの加熱部材７を含むＣＭＯＳ集積アレイを有するチップ１３の写真を示している。このような種類のチップ１３は、たとえば５ｍｍの辺の長さを有することができる。
【００５２】
１つの実施形態では、測定の精度を高めるために、たとえば装置１の学習段階またはキャリブレーションが意図されていてもよい。差異測定を具体化するために、複数の装置１がたとえばマルチセンサプレートの上に設けられていてもよい。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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