粒子监测基本指导 (441.3 KB)
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粒子
粒子源
产生粒子的来源是多种多样的。惰性（非活性）粒子通常由两个物体的摩擦而产生，例如锯木头时能产生粉尘粒子。人类会产生大量的惰性粒子，例如不断脱落的死皮屑。电机在揉电刷摩擦换向器时会产生粒子。在紫外光照中缓慢崩解的塑料会产生细微的粒子。活性粒子是活的微生物，如细菌、病毒、真菌。人类会脱落大量的活性粒子。
粒子可分为有机粒子（来自活性物体，但粒子本身不一定是活的）和无机粒子（来自非活性物体）两类 。死皮屑细胞属于惰性有机粒子。 原生物细胞属于活性有机粒子。铜的粉尘属于惰性无机粒子。
粒径
按照现代制造业的说法，最小的粒子实在太小，不能被视为沾染，因而本文不对此详加探讨。最小的粒子比原子还小数倍，被称为亚原子粒子，包括轻子、μ子、夸克以及不断被发现的其它极小粒子。量子物理或高能物理便是研究此类粒子的学科。
比亚原子大一级的是原子。比原子大一级的是分子，或原子团。这些粒子仍然太小，难以构成工业沾染。我们有兴趣探讨的粒子尺寸范围是1微米（缩写μm，为1/1000毫米）到100微米（1/10毫米）左右。大于这个范围的粒子便可由肉眼看到。如上所述，小于这个范围的粒子（约0.01μm）几乎不会对现代制造业制程造成影响。
有几种不同的方式来衡量粒子的大小。下图显示了描述粒子的标准尺寸。图中的虚线球代表PSL （聚苯乙烯胶乳）粒子，它是人造粒子，用于校准粒子监测仪和测试过滤器。
上面显示的是每种测量的科学术语。不同的测量方式适用于不同的环境，尤其是显微镜测量环境。
有些粒子能改变自身的大小，如草履虫等有机粒子。草履虫是一种微生物，它象大多数动物一样，主要由水组成。草履虫在干涸时就比在充满水时小得多。下页的方块图中显示了粒子大小的更多信息。
制造商为什么会对粒子的大小感兴趣呢？在清洁制程中，某一特定尺寸范围内的粒子可能会对制程起到特定的破坏作用。如果您打算购买过滤器，您就必须先搞清楚，您需要的过滤器中的过滤介质的筛孔应该是多大。
材料
粒子可以由任何物质构成，其构成物可以是有机或无机的。金属、塑料、纤维、动物、海盐、烟雾、油烟、粉尘，这些都是粒子的来源。几乎任何东西在适当的情况下都可以产生粒子。在洁净室中，最大的粒子源通常就是操作人员，他们会脱落皮肤细胞、呼吸、打喷嚏等。
普通的人类头发的直径约为50 – 150 μm。
粒子的行为：粒子是如何反应的？
粒子表现出某些行为趋势。它们在散射力的作用下穿过空气（或其它流体），它们通过重力和静电粘连积聚在物体的表面上。在液体中，粒子可能会吸附在气泡上，粘在管道或容器的表面，或抱成一个较大的团块。
运动
扩散
将红色染料倒入清水中，整桶水最终会被染成统一的红色，这就是扩散行为。即使气体或液体看起来是静止不动的，也会发生这种扩散行为。悬浮在流体（液体或气体）中的粒子受到以下几种力的作用：流体的流动、热的变化、布朗运动。
流体的流动
流体的流动方式有层流（平顺的）和湍流（激烈的）。流体的流动是压力差异的结果，流体总是从高压区域流向低压区域。悬浮在层流层中的粒子大多会逗留在其所处的位置。在空气中，侧向（侧侧）运动被称为平流，垂直（上下）运动被称为对流。
热变化（热迁移）
在流体中，温度的差异导致了流体的流动，特别是对流（垂直）。加热流体时会相应增加布朗运动，使得分子更具活力，因此它们更频繁地碰撞，相互间的距离也就越来越远。这就是为什么暖空气密度较低，趋于上升。布朗运动：空气中充满粒子，从看得见的尘屑到看不见的气体分子，它们始终相互碰撞和反弹。液体也是一样。随着时间的推移，布朗运动使得粒子呈大致随机分布。一个粒子在碰到另一个粒子之前所运动的直线距离就是该粒子的平均自由行程。
弹射力
粒子能够从一件工具上或一个过程中弹射出去，弹射力使粒子逆空气流而行。这就是为什么在真正的随机分布中很难看到粒子的原因之一。
吸附
有几种情况可以结束粒子的自由状态（扩散）。吸附力主要有静电吸附、聚集、增生、摩擦。
静电吸附：粒子能携带静电，带电粒子会被带相反电荷的物体表面所吸引，这就象气球总被你的头发吸引一样。
集聚
在液体中，粒子有集聚（粘附）在气泡周围的趋势。
增生
粒子能相互粘附在一起，这可以是静电吸附或其它“粘附”力作用的结果。在一定条件下，两个粒子往往会粘在一起，形成双粒子。
摩擦
运动的粒子有时会被粗糙的物体表面所阻挡，而粒子的运动力不够大，不足以使粒子继续运动。这和静电吸附一起，是多数类型的过滤的基础。
运动和吸附循环
扩散和吸附并存在连续循环中，粒子始终在流转、被困、获释、再流转…就这样循环往复。因此，在一定量的流体中，粒子的数量和大小是变化的。了解这一点是很重要的，在下文我们讨论粒子监测仪时会着重解释。
第二节：环境
当今的许多高科技产业都要求清洁生产。具体而言，这些产业要求在没有粒子沾染的环境中进行生产。
让我们看一个更具体的例子。半导体通常称为“芯片”。芯片是一块平整的硅片，硅片上蚀刻了细小的印迹（即平线路），形成晶体管和其它组件。这使制造商能够制造出非常微小的电子电路。
有些印迹相互靠得很近（0.3μm间距），当粒子卧在其中时，就会造成短路。因此，制造商需要过滤掉空气中所有的0.3μm或更大的粒子。小于这个尺寸的粒子不够大，不会造成短路。
此外，芯片是多层的，每层都极薄。因此，按制造业的标准，芯片的有效表面积应当是长度乘以宽度乘以层数，而一个漫游的粒子就有可能使整个芯片报废。半导体制造商必须控制生产环境，以消除粒子沾染。
另一个例子是制药业。注射液不可含有能堵塞血管的粒子，否则会造成病人中风（中断部分大脑血液的供应）或组织坏死（中断组织血液的供应）。制药商同芯片制造商一样，也必须控制生产环境，以消除粒子沾染。
控制粒子沾染
有三种方法可以控制粒子：
清楚制造环境中现有的粒子 防止或限制外来粒子进入环境 防止生产制程产生新粒子
过滤
粒子可以被过滤器过滤掉。在过滤中，含有粒子的介质通过过滤器。过滤器的孔很小，足以让介质分子通过，却无法让粒子通过。一定时间之后，过滤器在积满粒子之前，必须进行更换，有些过滤介质可以在净化后重复使用。
过滤分为两步：将粒子导入过滤器，将粒子拦在过滤器中。将粒子导入过滤器是较困难的一步。在上文中我们已经讨论过影响粒子运动的几个因素。试想一下，在一个标准的生产车间中，有大量的粒子截留处所、巨大的表面积、众多的粒子沾染源。控制粒子的最好方法就是尽量在所有的地点都维持层流，希望尽量多的粒子被过滤器过滤掉。然而，并不是在任何情况下都能维持层流。
目前使用的过滤介质非常复杂，由合成纤维、多孔塑料或陶瓷制成。目前使用的空气过滤器有两个标准：
HEPA过滤（高效空气净化）是超净或超纯制造环境的工业标准。HEPA过滤器能滤掉大于和等于过滤器规格（通常为0.3μm）的99.99%的粒子。HEPA过滤通常是HVAC（暖通空调）系统的组成部分。
ULPA过滤（超低空气泄漏）能滤掉大于和等于0.12μm的99.9995%的粒子，应用于超洁净制程环境。
以前，人们用显微镜来对过滤器中的粒子进行计数和测量。如今，这项工作由精密仪器来完成。本文将在后面探讨粒子监测。
洁净室
现代“洁净”的制程环境对洁净度的要求是相当高的，仅仅过滤工厂内的空气是不够的。因此洁净室应运而生。洁净室是单独的环境，便于人们控制粒子沾染水平。洁净室的设计宗旨是最大程度地维持层流，同时尽可能地减少粒子的截留。在高生产效率的工厂内，过滤器安装在天花板中，空气回路安装在地板下，这就使环境变得最为洁净，最大程度地减少了随平流四处迁移的粒子数量。
其它的洁净室技术包括：人员穿戴保护套、帽子、套鞋、手套。在最洁净的环境中，人员的穿着有些象宇航员。由于人员是一个大的粒子沾染源，因此在微沾染控制中，洁净室服装是重要的一步。
微环境
使用微环境是当前的趋势。基本上来说，微环境就是小型洁净室，其中采用内部机器手和整体橡胶手套操作生产。同洁净室相比，微环境的造价大大降低，而其使用率则不断增加。在有些情况下，可以在低级的洁净室中安装微环境，而不用建造全新的设施，这就能节省大量资金。
洁净室和微环境的分类
联邦标准第209条按照气悬浮粒子的特定浓度，确立了洁净室和洁净区域中空气洁净度的标准级别。在“ 100级”洁净室中，任何一立方英尺的空气中含有的大于0.5μm的粒子不超过100个。“ 10级”洁净室比“ 100级”洁净室洁净10倍。
洁净室的标准
1984年，美国环境科学技术研究院起草了“IES-RP-CC-006-84-T洁净室测试计划”，用于评估洁净室。计划中包含了测量技术，适用于：
气流速度和均匀性 过滤器的完整性 气流并行 净室复原时间 气悬浮粒子监测 粒子沉降率 洁净室压力和沾染诱导率 照明和噪音水平 温度和相对湿度 振动
美国国家环境平衡局（NEBB）扩展了这个标准，提供第三方认证计划。虽然该计划能够提供有用的信息，但NEBB认证不是洁净室认证中所必须的。
洁净室的评估和认证
洁净室在建成之后，或经过重大的实质变化之后，需要进行认证。洁净室认证能保证工厂满足对特定大小的气悬浮粒子浓度的要求。洁净室认证分为三个阶段：
交竣状态：洁净室被认证为“交竣状态第X级”，就是指该等级的洁净室已经完工，可以使用。洁净室内没有设备或人员。
待工状态：洁净室被认证为“待工状态第X级”，就是指该等级的洁净室已经安装了可以操作或正在操作的设备，但没有人员。
运行状态：洁净室被认证为“运行状态第X级”，就是指该等级的洁净室处于日常操作状态。洁净室内的设备正在正常运转，人员正在履行日常工作职能。
沉积粒子
洁净室认证计划一般不要求评估表面沉积粒子，只要求评估悬浮在空气中的粒子。这是一个关键性的问题，因为沉积粒子可能会对制造工序产生极大的影响。
为了验证粒子沉积，有必要将沉积粒子收集到目击板上。目击板是一块清洁的平板，不沾有粒子。目击板的材料和特征应仿照粒子沉积表面的材料和特征（比如说，您生产ABS塑料制品，您就应该使用ABS塑料做成的目击板）。将几块目击板放置在洁净室的四处，在特定的时间后将其收集起来，监测上面沉积的粒子。可以用光学显微镜或表面分析仪进行粒子监测。
第三节：粒子检测
洁净室认证是一个持续的过程。必须监测空气质量，以确保过滤系统正常工作，确保没有未知的粒子产生源。
在早年的洁净制造工艺中，人们用显微镜来检查测试过滤器，以确定从空气中过滤掉的粒子的数量和大小。有时，监测粒子的人员能够辨认出粒子的构成（如铜金属粉尘等）。如今，显微镜仍是了解沾染物的最佳方法，但显微镜的局限性在于它是一种沾染后的评估技术。
第一台粒子监测仪发明于20世纪50年代中期。粒子监测仪使人们能够在制程中监测粒子沾染，因而当沾染水平过高时，人们能迅速采取措施。这就提高了生产效率。
光学粒子监测仪
人们大都见过光线中的粉尘产生的视觉效果。这里涉及到四个组成部分：阳光（照亮粉尘）、粉尘（反射阳光）、空气（运载粉尘）、眼睛（看到粉尘，更具体地说是看到粉尘反射的光）。光学粒子监测仪（OPC技术）就使用上述原则，只是将上述各部分细致化，以尽量提高工作效果。先进的粒子监测仪使用激光光源，视场得到控制，人们使用高灵敏度的光电探测器来检测粒子散射的光。
工作原理
典型的激光光学粒子监测仪的工作原理
通用的激光光学粒子监测仪由五大系统组成：
（1）激光光源和光学组件：由于激光具有单一波长（因此激光为单色，粒子监测仪使用的激光通常为红光或红外线），故而它是最佳光源。第一个激光发生器是红宝石棒，后来被充满气体或混合气体的玻璃管所取代。传统上，粒子监测仪使用的激光器是氦氖（HeNe）激光器。如今使用最广的激光器是固态激光二极管，这是因为它们体积更小、重量更轻、使用寿命更长 （MTBF，平均故障间隔时间） 。
（2）视场：视场其实就是被激光瞄准的小室。样本介质（空气、液体或气体）被抽进视场，被激光照射，介质中的任何粒子散射（反射）的光都能被光电探测器侦测到。
（3）光电探测器：光电探测器是一种电气设备，对光非常敏感。当激光被散射时，照射到光电探测器上的任何光都能使探测器发射电脉冲。放大器将电脉冲转换成控制电压。大粒子散射较多的光，从而产生较强的电脉冲。
（4）脉冲幅度分析器：来自光电探测器的电脉冲被送到脉冲幅度分析器中进行分析。分析器将脉冲分为不同的强度组合，称为回收箱（bins）。
（5）黑匣子：黑匣子检查每个回收箱的脉冲数量，并将其转化为人们可以使用的数据。人们通常用计算机来显示和分析数据。
对激光粒子监测仪的观察
观察1
粒子监测仪并不直接监测粒子，而是监测粒子散射的光（或粒子投射的背影）。了解这一点是很重要的，因为特定粒子散射或遮挡的光量随以下几个因素的不同而不同：
粒子形状
现实世界中的粒子很少会象校准监测仪的乳胶球那样平滑、呈标准球形。视场中悬浮的粒子，其横向和纵向散射的光量是不一样的。
粒子的反射率（反照率）
不同粒子的反射率是不一样的，因此散射到光电探测器的光量也是不不同的。反射率高的粒子散射的光量大，光电探测器就会产生较强的脉冲，粒子监测仪就会认为这是一个较大的粒子，而事实却并非如此。同理，反射率低的粒子会使粒子监测仪误认为它是一个较小的粒子。
观察2
粒子监测仪无法监测到空间内的每一个粒子。实际上，对不同的空间体积，监测仪的监测比例是不同的。对于面积为5000平方英尺、高度为12英尺的洁净室来说，监测仪每分钟只监测总空气的1/60000。监测仪每小时监测60次，即总空气的0.001 ％。正因为如此，必须使用粒子监测仪来提供洁净室内的空气（或容器内的液体，或气缸内的气体）的有效统计样本。空气的有效统计样本就是能代表洁净室内的平均空气的样本。
这听起来简单，实际上却问题很大，这是因为粒子从来就不会真正地扩散（均匀分布在整个空间内，空间是指洁净室、瓶子等容纳粒子的空间）。粒子往往会停留在层流中，在湍流中积聚，粘附在物体表面，在暖空气中上升，在天花板附近游荡。洁净室的设计宗旨是最大程度地消除粒子截留场所，但却无法彻底消除这些场所。
监测仪的类型
人们目前使用的粒子监测仪有几种类型，最重要的区别在于粒子悬浮的介质不同，介质有气悬浮、液体、气体、真空、表面。
气悬浮：最常用的粒子监测仪用于监测HEPA过滤洁净室中的粒子沾染。
液体：液体粒子监测仪的应用极为广泛，适用于监测饮用水、注射药液、传输液、氢氟酸等各种液体。有些液体粒子监测仪需要配置所谓的采样器，用来精确抽取液体样本，并使之按一定流速穿过监测仪。也有些液体粒子监测仪就简单地安装在加压液体源之上。
气体：有些粒子监测仪用来监测悬浮在气体中的粒子。气体可以是惰性气体或挥发气体，也可以是干气体（无水）或含水的湿气体。
真空：在半导体厂，有些工作程序是在真空下完成的。人们用特殊设计的粒子监测仪来监测生产工具和材料产生的粒子。
表面：半导体芯片在加层之前不可受到表面沾染。光学元件（如透镜和反射镜）也有类似的要求。表面分析粒子监测仪采用激光制成表面拓扑图，显示沾染粒子的位置、大小、形状。
大气/气象
粒子监测仪应用于大气污染研究，如污染控制、气象分析等。有些监测仪可用来监测雨滴、冰晶、凝结核等。
粒子监测仪采用的各种技术
粒子监测仪采用几种不同的技术。究竟应选购何种粒子监测仪，需视其用途而定。
散射与消光
散射粒子监测仪监测穿越光束的粒子所反射的光量。消光粒子监测仪从背后照射视场，监测粒子在光电探测器上的投影。
体积与非体积
体积粒子监测仪监测全部的样本介质，非体积粒子监测仪只监测样本介质的一小部。
监测仪与分光仪
如前所说，整个激光束的强度并非是一致的。激光束中心的强度就比边缘的强度要高。监测仪使用激光束的全宽来监测粒子，而分光仪只使用激光束的中心来监测粒子。也就是说，分光仪能够更精确地测量粒子的大小，这是因为在使用分光仪时，穿过视场边缘的粒子同穿过视场中心的粒子散射同样的光量。监测仪和分光仪适用于不同的应用。
选择监测仪和分光仪
对于给定的光照强度，小粒子散射较小的光量（黯淡），大粒子散射较大的光量（明亮）。
激光束的强度呈钟形曲线分布或高斯分布，即激光束的中心最为明亮。（稍后着重讨论高斯分布。）
穿过激光束的粒子不会自觉地保持在光束中心的位置。在理想的情况下，当粒子穿过激光束时，首先进入光束的边缘，此时散射的光量较小。然后粒子穿过光束的中心，此时光量增强。再后粒子到达光束的另一个边缘，光量又减弱，直至粒子离开视场。然而在现实中，粒子可能仅仅穿过光束的边缘而已，然后就离开视场，从而产生暗淡的散射光量。
除非激光束的“可见”部分（即光电探测器能够监测到的部分）仅限于光束中心，否则脉冲幅度分析器就无法确定较小的电子脉冲究竟是来自穿过光束中心的小粒子，还是来自穿过光束边缘的大粒子。由此可见，粒子监测仪测量粒子大小的能力是有限的。
粒子分光仪采用聚焦或遮掩技术将光束的可见部分限定在光束中心。分光仪的样本量和流速较小，却能提供精确的粒子尺寸数据。分光仪适用于分析和研究领域，如涉及到单分散粒子难题的滤芯测试等。
然而，在很多应用场合，特定粒子的准确尺寸是无关紧要的。在这些场合中，粒子监测仪（监测全宽光束）就是最适用的设备。对于给定的粒径灵敏度，粒子监测仪具有较高的流速和较大的样本量，是去离子（DI）水系统及其管道系统多点监测的首选设备。
核凝粒子监测仪（CPC）和非挥发残渣监测仪（NRM）
所有的粒子监测仪技术都有最低灵敏度的限制。目前的光学技术无法监测到一定直径以下的粒子，因为这些极小粒子散射的光量所产生的脉冲信号小于背景噪声水平（即当无粒子穿过激光束时的“黑暗”信号） 。
有一种方法能使粒子的直径“长大”，从而被粒子监测仪监测到。核凝粒子监测仪（CPC）带有挥发性液体（如正丁醇），当样本空气流经温室时，和丁醇蒸气混合。然后，样本空气和丁醇蒸气的混合气体流经冷凝室，丁醇蒸气达到超饱和状态，便会凝结在粒子之上。0.01μm的粒子被丁醇微滴所包裹，通常能长成直径为1 - 2μm的粒子/丁醇微粒，这就很容易被监测到了。
核凝粒子监测仪的设计，必须能够使全部的过剩丁醇都散落在冷凝室的内壁上，而不是形成液滴，增加粒子计数的结果。同光学粒子监测仪相比，能够监测极小直径粒子的核凝粒子监测仪机构更加复杂，要求更多的维护工作。
有人或许认为，能监测到的粒子越小越好，那为什么还需要别的粒子监测仪呢？和光学粒子监测仪相比，核凝粒子监测仪有一些缺点。核凝粒子监测仪需要定期加注丁醇，而丁醇有种难闻的气味。非丁醇核凝粒子监测仪使用昂贵的氟碳液体，成本很高。核凝粒子监测仪的液体容器如果破裂，就会泄漏液体，无法生成监测数据。在许多环境中（清洁度在1000级或以下），核凝粒子监测仪监测到的粒子数量非常之多，以至于使仪器的工作速度非常慢，生成的数据也有相当大的误差。此外，核凝粒子监测仪不象光学粒子监测仪那样，能监测粒子的尺寸。在使用核凝粒子监测仪时，所有的粒子都长到了同样的直径，监测结果只能显示粒子数量，无法显示粒子尺寸。
非挥发残渣监测仪：液体和核凝粒子监测仪
用于提高气悬浮监测仪灵敏度的核凝粒子监测仪技术，也同样适用于监测液体。非挥发残渣监测仪（NRM）使用雾化器，将样本液体转化为雾滴。雾滴穿过加热的干燥塔时完全蒸发，每个液滴留下一个残留物的凝集粒子。溶解盐，小的有机物、有些无机物如胶体二氧化硅等，这类物质溶于液体后都是看不见的，因此液体核凝粒子监测仪无法监测这类物质。但是，当携带这类物质的液体蒸发后，会留下一些残留物质，这些物质的粒子直径已“长”到足够大，能够被核凝粒子监测仪监测到。
当然，和其它种类的光学粒子监测仪相比，非挥发残渣监测仪无法监测物质的化学成份。不过，通过适当的粒子趋势分析，非挥发残渣监测仪的监测数据可用于提醒操作人员粒子沾染的上升情况，而这项工作如果不用极其费钱、费时的实验室测试（例如采用原子吸收光谱法的实验室测试）是无法完成的。非挥发残渣监测仪在有些应用中（例如监测去离子水）会起很大的作用。在去离子水工厂，过早更换滤芯会浪费巨大的资金。合理安排水池的清洗时间有利于减少生产停机时间。
使用粒子监测仪
为了有效使用粒子监测仪，人们必须正确地处理、安装和使用它。这样才能确保仪器正常工作，确保统计样本的有效性。
粒子监测仪不同于别的设备。粒子监测仪看起来有点象示波器，因此有人象对待示波器一样对待粒子监测仪。然而，粒子监测仪远比大多数电子仪器复杂，它们对外部环境非常敏感，会受振动、磁场干扰（RMI）、过冷过热、灰尘等的影响。粒子监测仪是一种高性能的电子仪器。
处理粒子监测仪的指导
拆包
大多数粒子监测仪是在洁净室中制造和包装的。必须待粒子监测仪到达使用环境中方可拆开塑料包装袋。如果粒子监测仪是用于洁净室环境的，则更应如此。这样做的目的是为了尽量减少空气中悬浮的灰尘和水对光学部件表面的沾染。还有一点非常重要，就是在安装前，必须仔细通读安装手册。
安装
将粒子监测仪放置在清洁、水平、靠近接地交流电源的平面上。不要将监测仪放在电噪音环境中（周围有电机、继电器、变压器等产生大量的电压尖峰）。电噪音会影响粒子监测。
存放
存放粒子监测仪前，应将其包装在塑料袋中（如果监测仪安装在洁净室中，则包装须在洁净室中完成），密封包装袋，用防护胶带贴上标签。标签应显示监测仪的类型、存放的日期和原因、仪器的产品序号、校准到期日。如此一来，送去再校准时就不用重新包装了。
应将监测仪存放于室温中（约70°F/21°C），放置在无振动环境中的结实的架子上，防止因有人无意中搬动它而造成损坏。
仪器档案
应当考虑建立仪器档案，详细记录仪器的开始服务日期、校准到期日、累计工作时间、每次维护保养（如清洗光学元件等）完成日期、操作员观察到的每次事故和非正常工作的记录。
粒子监测仪要求定期维护保养，例如清洗光学元件等。随着时间的推移，光学元件表面会积聚灰尘，从而散射激光，降低监测灵敏度，导致监测误差。为避免这种情况，应当按照厂家的维护说明对仪器进行维护保养。对于大多数仪器来说，用户必须进行清洗工作，必须严格按照厂家的维护说明，非常小心地进行维护工作。如果不能确定怎么做，就应立即停止，然后联系厂家，获取明确的指导。
粒子监测仪的应用
本节将讨论如何用粒子监测设备及其配件来收集有关粒子的有用信息。开始前，先解释几个粒子监测仪通用的概念。
趋势跟踪
过滤系统安装到位之后，制程环境变得尽可能的清洁，此时要想进一步减少粒子沾染不是一件容易事。所幸的是，人们并不总是需要知道室内粒子的确切数量。粒子监测仪能用来分析粒子变化的趋势，或者说，监测仪能监测环境中粒子沾染量的变化趋势（平缓的或突然的）。监测结果能够提醒操作员，过滤系统是否出现故障，工具或制程是否不清洁，门阀是否没关严。
粒子监测仪还有更多复杂的用途，本文将在后面的章节“粒子监测仪的类型”中详细讨论。
有效统计样本
前面解释过这个概念，由于它的重要性，有必要在此复述一遍。统计有效样本就是含有粒子的介质样本，它同其余的介质有着相似的粒子内容和物理特性。
数据正常化
粒子监测仪以恒速抽取介质样本，然后监测介质样本中的粒子。因此人们有两种方法来检查粒子监测仪收集到的数据。
原始计数
原始计数就是特定粒径通道内的粒子总计数。原始计数并不将粒子计数同样本量联系在一起，因此不会显示介质样本的清洁程度（或肮脏程度）。原始计数在有些应用中很有用，在校准仪器时也很有用。
正常化计数
正常化是指数据格式化，就是给数据以背景注释，使它们变得有用。在粒子监测中，粒子监测仪监测出的粒子总数除以样本量，得出的结果就是一个正常化计数。
钟型曲线分布（高斯分布）
现实中的粒子不太可能都是统一的0.30000μm尺寸。其实我们所谓的0.3μm粒子不是略大于就是略小于0.3μm。为了方便起见，我们称0.3μm为粒子的名义尺寸（而不说0.2547μm粒子或0.3582μm粒子等等） 。粒子的实际尺寸同名义尺寸的差就是偏差。（此处的偏差是标准偏差的平方。）
如果您测量了名义尺寸为0.3μm的粒子总数，准备画出测量结果图形，图形大致应如下所示：
在上图中，大部分粒子相当接近0.30μm，稍大于或稍小于0.30μm的粒子数量是很少的，显著大于或显著小于0.30μm的粒子数量则更少。在粒子监测仪中，粒子呈钟型曲线分布（或高斯分布，或常态分布）。
第四节：硬件和配件
气悬浮粒子监测仪
气悬浮粒子监测仪用于探测和测量空气中的粒子沾染，其典型用途是观察洁净环境（如洁净室或微环境）中的粒子污沾趋势。除了监测环境空气，气悬浮粒子监测仪还用于监测大型工具中的气悬浮粒子。
气悬浮粒子监测仪的另一个常见用途是监测过滤效率。在空气进入过滤器前和离开过滤器后，监测仪立即抽取空气样本，然后将空气进入过滤器前的粒子记数结果同空气离开过滤器后的粒子记数结果加以比较，从而提醒操作员过滤效率是否突然下降。
同其它类型的粒子监测仪相比，气悬浮粒子监测仪在监测粒子沾染趋势的变化时是最有效的设备。
气悬浮粒子监测仪的粒径通道范围从0.05μm到几百微米不等。不同品牌和型号的粒子监测仪，它们的通道数和每个通道的粒径范围可由厂家预先设定，也可由软件控制。
气悬浮粒子监测仪的一个典型应用就是将其放置在洁净室中的架子上，设定发声报警参数，提醒操作员粒子沾染是否升到一定水平。上文说到有效统计样本，因此你应当在室内的数个点上采样。采样方法如下：
多点采样（见下文）
从一个地点到另一个地点移动粒子监测仪
显示可以在单一地点采集有效统计样本
多点采样装置
单台气悬浮粒子监测仪可以通过多点采样装置在不同地点采集空气样本。多点采样装置由粒子监测仪控制，带有几条进气（从采样点）管和一条出气（至粒子监测仪）管，依次将进气管的气送进粒子监测仪。设计多点采样装置时应非常小心，防止空气样本交叉污染，防止送气管中发生粒子损失。
同流探头
为了采集精确的样本，人们在样本采集管的末端安装同流探头。同流探头从流动的空气（或任何流体）中采集与空气流速相同的样本，这就能保证产生准确的正常粒子记数。不在维持自由速度时采集样本的探头被成为非同流探头。
高压扩散器
高压扩散器使用气悬浮粒子监测仪分析惰性加压气体。
环境探头
环境探头测量温度、相对湿度、室内气压、空气流速等，然后将测量数据送到粒子监测仪或设施监测系统（FMS，稍后讨论）。
便携式气悬浮粒子监测仪
这种小型的粒子监测仪用于测定洁净室中的粒子沾染源。它们使用气管末端的同流探头，根据不同的粒子浓度发出不同间距的声音（如同盖革计数管或金属探测器发出的声音）。
液体粒子监测仪
液体粒子监测仪可用于监测几乎任何种类液体中的粒子，例如水、氢氟酸、石油化工制品、注射药物等等。它们常用于监测过滤效率，或在批量采样应用中被用作质量控制装置。
液体采样器
液体采样器精确抽取液体样本，并按一定流速将其送进粒子监测仪。液体采样器往往用于非加压液体环境。
正确使用液体采样器可以防止产生汽蚀或泡沫。泡沫会聚集粒子，也可能会被误算为粒子，因此在粒子监测中，泡沫是个大问题。
液体采样器能将气泡压出液体，从而达到减少或消除液体中气泡的目的。
查看模块
液体查看模块类似于真空粒子监测仪的查看模块，它们可以在不改变液流的情况下监测液体中的粒子。
抗腐蚀和管材
为了有效监测悬浮在液体（尤其是腐蚀性液体）中的粒子，粒子监测仪的湿表面必须具有抗腐蚀的能力，遇到腐蚀性液体时不会分解或释放有毒气体。
粒子监测系统有限公司（Particle Measuring Systems）生产的液体粒子监测仪的湿表面采用几种不同的光学材料和塑料。
光学部件
石英：类似玻璃，与氢氟酸之外的大多数化学品相容。
蓝宝石：与半导体行业使用的大多数化学品相容，其中包括氢氟酸。
氟化镁：与氟化铵和过氧化氢之外的大多数化学品相容。
管材
聚偏氟乙烯（PVDF）：一种许多样本单元使用的塑料。不建议与丙酮一起长期使用。
PFA特氟隆（PFA Teflon）：一种有些样本单元使用的塑料。PFA铁氟龙对有些化学品具有渗透性。其它材料包括特氟隆（Teflon）、全聚氟醚（KalRez，极昂贵的O型圈材料）和聚三氟氯乙烯（Kel-F）。
化学相容性
化学品进入液体粒子监测仪之前，请务必确认：一、化学品与粒子监测仪、液体采样器以及所有配件管道（包括工具管道）的湿表面相容；二、化学品不会与前次样本残留的化学品发生反应。
气体粒子监测仪
气体粒子监测仪用于测量各种气体的纯度，包括惰性气体和腐蚀性气体。气体粒子监测仪是一种特制的气悬浮粒子监测仪，能够监测加压环境（如压力气缸或调制压力）中的粒子。
采集和分析具有代表性的样本气体不是一件容易事。在半导体工厂，采集气体样本的困难包括将粒子监测仪连接到供气源之上。通常来说，芯片制造设施（晶圆厂）外边的大型工厂负责净化氮气，并用泵和大口径不锈钢管道将其给送入晶圆厂。
用于半导体制造的气体并不含有多少粒子，且由于重力和扩散的结果，很难俘获到含有这些粒子的有效统计样本。
粒子监测系统有限公司的现场技术人员就经常见到用户的气体分析系统带有自制的高压扩散器，连到气悬浮粒子监测仪之上。粒子监测系统有限公司长期从事超净气体的分析，目前开发出的高压扩散器带有很多特殊功能。上面提及的自制高压扩散器其实几乎都不能正常工作，它们无法实现采集过滤气体样本时的零记数，以及粒子监测的随机性。我们的技术人员不得不克服这些困难，才能将这些高压扩散器投入使用。
究竟应使用高压气体粒子监测仪还是带有高压扩散器（HPD）的气悬浮粒子监测仪，首先应考虑气体的成本（HPD消耗的气体量大于实际用于分析的气体量）。还应考虑样本气体的流速、仪器的体积、粒径大小/仪器灵敏度、自用数据显示方式等（请查询粒子监测仪销售代表）。
真空粒子监测仪
真空粒子监测仪用于真空环境中的制程（不含空气或气体），最常见的例子是半导体制造业。
查看模块
为了不破坏真空环境，必须以非进入的方式监测真空环境中的粒子。要做到这一点，就必须在工具管路中安装查看模块。查看模块带有窗口，能让激光通过查看模块，也能让散射光传到光电探测器上。通常，查看模块安装在制程室和泵之间。有些真空粒子传感器可以安装在原位，即制程环境内部。
真空粒子监测仪为“制程工具”的用户提供有价值的数据，帮助他们安排工具清洗、工具操作优化等工作。还能帮用户减少一次性“监控晶片”的使用数量，从而降低工具操作成本。
表面分析系统
表面粒子监测仪用于监测积聚在物体表面上的粒子沾染，例如积聚在硅片衬底、高精度镜子、精密光学镀膜、液晶显示板、监控板上的粒子沾染。表面粒子监测仪是最精准的粒子监测仪，能够反复监测测试晶片上的粒子而得出相同的记数结果。其它种类的粒子监测仪就做不到这一点。
标准的表面粒子监测系统由粒子监测仪、机器手和清洁环境组成。机器手从制程中将元件拿起，放置在表面粒子监测仪中。监测仪扫描元件，制成元件的表面状况图，图中显示积聚在元件表面上的粒子的大小、形状和数量。然后，机器手从监测仪中将元件拿起，根据监测到的粒子的数量和位置不同，将元件放在不同的架子上。
第五节：数据集成
设施监测系统（FMS）
设施监测系统将所有的粒子监测仪、单点采样器、多点采样装置、环境传感器以及微沾染分析的其它设备有机地结合起来，使它们互相沟通，并与中央监控站沟通，从而使系统能够有效采集和分析粒子数据，使粒子监测结果和制程中的事故（例如门/阀未关严、过滤器失效、管道中产生逆流等）能够关联起来。
设施监测系统通常是由计算机中的特殊软件控制，软件帮助操作员监控整个设施监测系统。计算机可设定触发警报参数，可制作报告，可分析数据。
以下是带有洁净室、粒子监测仪、设施监测系统的生产制造设施的实例。后面有解释。
FMS计算机和软件
每个粒子监测装置都连接到FMS计算机，计算机便是粒子监测仪和多点采样装置的中央集控站，也是数据的交换所。FMS计算机能够分析粒子数据，跟踪粒子趋势，在满足预设条件（如最大常态粒子记数、最低温度、最大相对湿度等）的情况下触发当地警报或远程警报。数据可以显示在连接到FMS计算机的远端计算机中。
气悬浮多点采样装置和粒子监测仪
这种配置和同流探头一起，用于监测10级和100级洁净室，以及1000级设备区域。气悬浮多点采样装置是一种低成本的监测设备，可以监测许多不同的区域，或监测同一区域中的多点位置，以保证统计样本的有效性。由于气悬浮多点采样装置会损失部分粒子，并产生采样之间的延迟，因此它并不适用于所有的场合。人们采用混合空气采样来持续监测送入真空泵之前的混合样本，以此解决多路复用采样的问题。采样只间的延迟不会造成瞬间粒子事件的错过。
（1）100级洁净室
有些组装、测试、包装工作必须在此类级别的环境下进行。人们用气悬浮粒子监测仪、气悬浮多点采样装置、以及位置A所示的硬件配置来监测此类级别的环境。
（2）10级洁净室
有些组装、测试、包装工作要求清洁度更高的环境。此类高敏感的工作便可在这一级别的洁净室中进行。人们用位置A所示的硬件配置来监测此类级别的环境。
（3）远程监视器
使人们可以在洁净室外查看粒子监测结果。
刻蚀酸浴
酸浴用来蚀刻产品的表面。用于酸浴的酸是很昂贵的，酸的处理成本也很高，因此酸都要进行过滤，尽量重复使用。正因如此，人们会使用两台液体粒子监测仪和腐蚀性液体采样器来监测过滤器的工作效率。人们将过滤前酸液中的粒子沾染量同过滤后酸液中的粒子沾染量相比较，从而得出过滤器的工作效率。这能帮助人们有效安排过滤器的更换时间，提醒人们过滤器是否损坏。当酸液太脏、不能使用时，就会发出警报声。
HEPA过滤器的过滤效率，抽样检查
带有同流探头的气悬浮粒子监测仪安装在移动车上，用于抽样检查设施中的HEPA过滤效率。在定期检查时间表中，每个过滤器都要经过检查。
通过管路传送粒子
人们经常需要在一个地方收集粒子，而在另一个地方进行粒子监测。可以用管路来传送收集的粒子。当样本介质通过管路从采样地点传送到粒子监测仪时，会发生两件事情：
（1）损失一些压力
（2）一些粒子粘附在管路内壁上
因此，有必要了解以下概念：
内直径是圆管的内部直径。
雷诺数是一个综合参数，它考虑了管的形状、液体的粘度、管内的平滑度、管的直性、周围空气压力、温度、以及影响管内液体流速的其它因素。
压力损失是指空气在管内传输的过程中的气压降低量。假如空气以10psi泵入7 毫米管，管长为20米，在管的另一端的气压则为8.6psi。
气速是指气体在管线中的传输速度。
粒子损失
下图描述了半导电聚酯管中的粒子损失。管的内直径为3/8"，采用粒子监测系统有限公司的3 CFM气悬浮多点采样流速：
以下是有利于减少粒子损失的输气线材料（根据粒子损失按优先顺序排列，不锈钢为最佳）：
不锈钢
导电聚合物
聚酯
乙烯基材料（如果增塑剂不与之相冲突）
聚乙烯
铜
玻璃
特氟隆
铝
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2.0版
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