JP6686586B2

JP6686586B2 - 粒子成分分析装置

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Publication number: JP6686586B2
Application number: JP2016055397A
Authority: JP
Inventors: 松添　雄二; 雄二松添
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-03-18
Also published as: JP2017167110A

Description

本発明は、粒子成分分析装置に関する。

従来、気体中の粒子を減圧チャンバ内に導入して粒子線を生成して、生成された粒子線を、加熱されたモリブデン表面に衝突させて気化することによって、気化物をイオン化して質量分析する装置が知られている（非特許文献１）。また、定量的な粒子の成分分析を実現するために、捕捉体を用いて粒子を予め定められた領域に捕捉する粒子成分分析装置が知られている（特許文献１）。この粒子成分分析装置は、捕捉された粒子にエネルギー線を照射することによって粒子の脱離成分を生じさせて、脱離成分を分析する（特許文献１）。
［先行技術文献］
［非特許文献］
［非特許文献１］１.ALLAN J D et al.，Quantitative sampling using an Aerodyne aerosolmass spectrometer 1. Techniques of data interpretation and error analysis.，JGeophys Res，２００３年２月１６日，Vol.108 No.D3 ，AAC1.1-AAC1.10
［特許文献］
［特許文献１］国際公開第２０１１／１１４５８７号

しかし、捕捉体を用いて粒子を捕捉する粒子成分分析装置において、エネルギー線を照射させて微粒子を脱離させる構成では、エネルギー線の照射光源および光学部品などの高価な部品が必要となっていた。

本発明の態様においては、粒子成分分析装置を提供する。粒子成分分析装置は、捕捉体と、ヒータと、分析器とを備えてよい。捕捉体は、測定対象となるエアロゾル中の粒子を捕捉してよい。ヒータは、捕捉体に配置されてよい。ヒータは、捕捉体を加熱して捕捉体に捕捉された粒子を脱離させて脱離成分を生じさせてよい。分析器は、脱離成分に基づいて粒子の成分および量の少なくとも一方を分析してよい。

捕捉体は、メッシュ構造体を含んでよい。メッシュ構造体は、粒子を捕捉するメッシュ部が形成されてよい。ヒータは、メッシュ構造体に設けられてよい。

捕捉体は、積層構造を有してよい。積層構造は、複数のメッシュ構造体が積層されてよい。ヒータは、複数のメッシュ構造体のうち、少なくとも２つのメッシュ構造体に設けられてよい。

複数のメッシュ構造体は、互いにメッシュ部の空隙率が異なる少なくとも２つのメッシュ構造体を含んでよい。

一のメッシュ構造体に配置されるヒータと他のメッシュ構造体に配置されるヒータとは、互いに交差する方向に延伸されてよい。

メッシュ構造体の面内方向において、ヒータが設けられる領域とメッシュ部が形成される領域とが交互に配置されてよい。

ヒータは、メッシュ部に形成されてよい。

メッシュ部は、熱絶縁支持層を有してよい。ヒータは、熱絶縁支持層に形成されてよい。

メッシュ構造体は、支持枠部を有してよい。支持枠部は、メッシュ部の周囲に位置してよい。支持枠部は、メッシュ部を支持してよい。ヒータは、支持枠部の領域に形成されてよい。

ヒータは、メッシュ構造体の温度が３００°Ｃ以上５００°Ｃ以下となるように加熱してよい。

ヒータは、ヒータ用の導電膜を含んでよい。ヒータは、導電膜に電流が流れることによって発熱してよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

第１実施形態の粒子成分分析装置１００の概略構成を示す図である。第１実施形態の粒子成分分析装置１００の全体構成を示す図である。第２実施形態の粒子成分分析装置１００における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２０４の裏面図である。第２実施形態の粒子成分分析装置１００における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２０４のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。第２実施形態における複数のメッシュ構造体２０４ａ、２０４ｂが積層された積層構造２０６を示す図である。第３実施形態における積層構造２０６に含まれる複数のメッシュ構造体２０４ａ、２０４ｂの断面図である。第４実施形態における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２０８を示す裏面図である。第５実施形態における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２６０の裏面図である。第５実施形態における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２６０のＡ−Ａ´線に沿う部分断面図である。第５実施形態における複数のメッシュ構造体２６０ａ、２６０ｂが積層された積層構造２６２を示す図である。第６実施形態における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２７０の拡大平面図である。第６実施形態における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２７０のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、第１実施形態の粒子成分分析装置１００の概略構成を示す図である。粒子成分分析装置１００は、粒子線生成部１０、分析器２０、捕捉体２００、およびヒータ３００を備える。また、粒子成分分析装置１００には、ヒータ３００の温度を制御する制御部３０がヒータ制御線３０２を介して接続されてよい。

粒子線生成部１０は、測定対象となるエアロゾル中の粒子を粒子線１６として減圧容器４００内に導入する。捕捉体２００は、粒子線１６中のエアロゾル中の粒子を捕捉する。ヒータ３００は、捕捉体２００を加熱して捕捉体２００に捕捉された粒子を脱離させて脱離成分を生じさせる。分析器２０は、脱離成分に基づいて粒子の成分、粒子の量、あるいは粒子の成分と量の両方を分析する。本明細書において、「脱離」には、気化、昇華、または脱離反応させることが含まれる。

捕捉体２００は、粒子線１６が照射される捕捉面２０２を有する。捕捉体２００は、捕捉面２０２から予め定められた厚さの部分まではメッシュ状構造を有してよい。捕捉体２００は、粒子線１６が射出される位置に配置される。捕捉体２００は、捕捉体２００を保持する治具である捕捉体支持部４０によって位置が固定されてよい。捕捉体２００は、捕捉面２０２が粒子線生成部１０の射出口に対して、傾けて対向するように配置されてよい。これにより、粒子が捕捉体２００に跳ね返されて捕捉できない確率を低減することができ、より効率的に粒子線１６中の粒子を捕捉することができる。

本例のヒータ３００は、電気ヒータである。ヒータ３００は、捕捉体２００に配置される。本例では、ヒータ３００は、捕捉体２００の裏面側に配置される。ヒータ３００は、捕捉体２００の裏面側に配置された捕捉体支持部４０に内蔵されてよい。本明細書において、捕捉体２００の主面のうち粒子線生成部１０側の面を「おもて面」とし、反対側の主面を「裏面」と称する。「捕捉体２００の裏面側」とは、必ずしも捕捉体２００の裏面自体でなくてもいい。例えば、捕捉体２００が複数の層に分かれている場合には、捕捉体２００の裏面側には、最表層のおもて面以外の面が含まれる。

粒子成分分析装置１００は、捕捉体２００の裏面側に温度センサ３０４を備えてよい。したがって、ヒータ３００と温度センサ３０４は、同じ面に配置されてよい。温度センサ３０４は、温度を測定する温度計測部であり、測温抵抗体、サーミスタ、または熱電対であってよい。温度センサ３０４は、温度センサ用配線３０６を介して制御部３０に接続される。制御部３０は、温度センサ３０４から温度測定結果を取得する。制御部３０は、温度測定結果が、予め定められた温度に近づくように、ヒータ３００を制御する。

エアロゾル中の粒子は、硫酸塩および硝酸塩の成分を含んでよい。硫酸塩の昇華温度は、２５０°Ｃ〜３００°Ｃであり、硝酸塩の分解温度は２３５°Ｃ〜２８０°Ｃである。したがって、制御部３０は、硫酸塩および硝酸塩を脱離できるように、捕捉体２００の温度が３００°Ｃ以上になるようにヒータ３００を制御することが望ましい。一方、捕捉体２００の温度が５００°Ｃより高くなると、捕捉体２００内のメッシュ構造体等の熱劣化の可能性がある。したがって、制御部３０は、捕捉体２００の温度が３００°Ｃ以上５００°Ｃ以下になるようにヒータ３００を制御することが望ましい。

次に、粒子成分分析装置１００の全体構成を説明する。図２は、第１実施形態の粒子成分分析装置１００の全体構成を示す図である。粒子成分分析装置１００は、減圧容器４００を有する。減圧容器４００は、外部に対して減圧された領域を提供するための減圧チャンバである。減圧容器４００は、隔壁４０２および隔壁４０４によって、複数の減圧室４０５、４０６、４０７に区切られていてよい。本例の減圧室４０５、４０６、４０７は、それぞれ吸引部５０によって減圧される。吸引部５０は、減圧容器４００内の減圧状態を保つための真空ポンプである。

粒子線生成部１０は、エアロゾル中の粒子の粒子線１６を射出する。粒子線生成部１０は、例えばエアロダイナミックレンズである。粒子線生成部１０は、減圧容器４００の壁部の一部に設けられる。粒子線生成部１０は、減圧容器４００の気密性を保ちつつ減圧容器４００の壁部を貫通する。粒子線生成部１０は、管状構造体の内壁から内側に伸びる複数の絞り機構である複数のオリフィス１２を備えてよい。粒子線生成部１０の一端には、粒子線射出口１４が設けられている。

本明細書において、エアロゾル中の粒子の粒子線１６とは、固体又は液体で構成された微粒子の空力学的特性を利用して、微粒子が浮遊したエアロゾル（気体試料）から、各微粒子が気体試料中で同じような飛行・移動特性を持つようにビーム状に離隔濃縮されてなる微粒子の粒子線である。減圧容器４００内外の圧力差によって、エアロゾルが粒子線生成部１０に流入する。粒子線生成部１０内をエアロゾルが通り抜けるときは、媒質である気体は拡散しながら移動するので、オリフィス１２によって直線的な移動が妨げられる。

一方、固体または液体で構成された粒子は、直進性が気体分子に比べて高いので、初段のオリフィス１２を通過した粒子の移動が２段目以降のオリフィス１２により大きく妨げられることがない。したがって、各粒子がビーム状に収束しつつ、粒子線射出口１４を通って、減圧雰囲気側に粒子の粒子線１６として射出される。

上述した捕捉体２００およびヒータ３００は、捕捉体保持容器４２０内に保持されてよい。捕捉体保持容器４２０には、粒子の粒子線１６が入射する方向に向けて、口細に構成されたスキマー部が形成されてよい。捕捉体保持容器４２０は、粒子の脱離成分を分析器２０に供給するための導管４２２が一体として形成されてよい。導管４２２によって導かれた脱離成分は、イオン化領域２２においてイオン化されて、分析器２０に供給されてよい。

分析器２０は、質量分析計または分光分析装置であってよい。分析器２０は、イオン化して供給された粒子の量または成分に応じて分析信号を出力する。分析器２０は、電気信号として受信された分析信号に基づいて粒子の量または成分を分析する。分析器２０は、粒子の成分及び成分別の量を導出してよい。分析信号から粒子の成分及び成分別の量の導出は、従来の質量分析計などと同様であるので詳しい説明を省略する。

本例の粒子成分分析装置１００によれば、粒子線１６に含まれる粒子を捕捉体２００で捕捉するタイプの粒子成分分析装置１００でありながら、捕捉体２００に捕捉された粒子を脱離させる手段として、ヒータ３００を用いる。したがって、本発明によれば、エネルギー線の照射光源および光学部品などの高価な部品が必要なくなる。

本例の粒子成分分析装置１００は、単に粒子線１６を衝突させて気化するタイプの装置ではなく、粒子線１６に含まれる粒子を捕捉体２００で捕捉するタイプの粒子成分分析装置１００である。したがって、本例の粒子成分分析装置１００によっても、粒子線１６内の粒子の大部分又は全てが跳ね返ってしまうことを防止して定量的な分析に適用できるといったメリットは維持できる。

図３は、第２実施形態の粒子成分分析装置１００における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２０４の裏面図である。図４は、第２実施形態の粒子成分分析装置１００における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２０４のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。図３及び図４において、メッシュ構造体２０４の裏面をＸ−Ｙ面とし、裏面に垂直な方向をＺ軸とする。第２実施形態の粒子成分分析装置１００は、捕捉体２００およびヒータ３００の構成を除いて、第１実施形態の粒子成分分析装置１００と同様である。したがって、同様の構成についての繰り返しの説明を省略し、同様の部材には、同じ符号を用いて説明する。

本例の粒子成分分析装置１００において、ヒータ用導電膜３１０が、ヒータ３００として、メッシュ構造体２０４に設けられる。メッシュ構造体２０４は、メッシュ部２２０と支持枠部２１０とを備える。メッシュ部２２０は、格子状の開口部２２４を形成する。支持枠部２１０は、メッシュ部２２０の外周を支持する。本例のメッシュ構造体２０４は、粒子を捕捉するメッシュ部２２０とヒータ３００としてのヒータ用導電膜３１０を一つのチップ上に含む。また、１個または複数の温度センサ３０４がメッシュ構造体２０４に形成されてよい。

メッシュ構造体２０４は、典型的には、Ｘ−Ｙ面におけるそれぞれの辺が５ｍｍ以上１０ｍｍ以下程度の矩形であってよい。支持枠部２１０のＺ軸における厚さは、典型的には、１００μｍ以上３００μｍ以下であってよい。メッシュ部２２０の領域は、Ｘ−Ｙ面における直径が３ｍｍ以上８ｍｍ以下であってよい。メッシュ部２２０の厚さは、典型的には、１０μｍ以上１００μｍ以下であってよい。メッシュ部２２０内には、線部２２２が格子状に形成されている。メッシュ部２２０の格子サイズは、図４に示される線部２２２の幅Ｗが１μｍ以上１０μｍ以下程度でよく、開口部２２４の目開きＤが１０μｍ以上１００μｍ以下程度でよい。

メッシュ部２２０の空隙率は、８０％以上９９％以下であってよい。図４は、線部２２２と開口部２２４を模式的に示しており、線部２２２と開口部２２４の寸法は、誇張されている。本明細書において「空隙率」は、捕捉面２０２を上面視した場合における面積空隙率である。面積空隙率とは、メッシュ部２２０のおもて面の面積に対する、空隙部分が占める面積の割合である。

図３に示されるとおり、本例のメッシュ構造体２０４では、ヒータ用導電膜３１０は、メッシュ構造体２０４のうち、支持枠部２１０の領域に形成される。支持枠部２１０は、メッシュ部２２０に比べて平坦面が多いので、ヒータ用導電膜３１０の面積を拡大することができる。ヒータ用導電膜３１０は、その内部に電流が流れることによって発熱するヒータ層であってよい。ヒータ用導電膜３１０は、例えば、Ｔａ／Ｐｔ−Ｗ（タリウム／白金−タングステン）、Ｎｉ−Ｃｒ（ニッケル−クロム）、Ｐｔ−Ｗ（白金−タングステン）などの金属で形成される。

ヒータ用導電膜３１０は、導電膜に電流を流すための複数の電極部分３１２、３１４を含んでよい。複数の電極部分３１２、３１４は、メッシュ構造体２０４を貫通するビアであってよい。ビアを通じて、ヒータ用導電膜３１０への電力供給がされてよい。ヒータ用導電膜３１０は、メッシュ構造体２０４の温度が３００°Ｃ以上５００°Ｃ以下となるように加熱してよい。

以上のようなメッシュ構造体２０４は、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板をフォトエッチングにより微細加工して製造することができる。具体的には、メッシュ構造体２０４の骨格、骨組み、または枠組みを、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いてシリコン材質で形成してよい。具体的には、メッシュ部２２０については、予め定められた線部２２２と開口部２２４とになるようにパターニングされる。

支持枠部２１０をマスクした上で、メッシュ部２２０の領域の裏面部分をエッチングして、メッシュ部２２０と支持枠部２１０で囲まれて空洞化された空間が形成されてよい。そして、必要に応じて、シリコン材質の骨格、骨組み、または枠組みに対して、白金、金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、及びそれらの合金などの薄膜形成等を施して最終的にメッシュ構造体２０４としてもよい。

ヒータ用導電膜３１０についても、シリコン材質の支持枠部２１０に、導電膜を形成し、導電膜に対して、パターニングを施すことによって、予め定められた形状にヒータ用導電膜３１０を形成してよい。ヒータ用導電膜３１０を保護するために、絶縁膜などにより保護膜３１１を形成してもよい。

以上のような微細加工によって形成したメッシュ構造体２０４を１層で、又は典型的には２〜１０層、好ましくは３〜６層を貼り合わせて積層して積層構造を構成してもよい。すなわち、捕捉体２００は、複数のメッシュ構造体２０４が積層された積層構造２０６を有してよい。図５は、第２実施形態における複数のメッシュ構造体２０４ａ、２０４ｂ（以下、メッシュ構造体２０４と総称する場合がある）が積層された積層構造２０６を示す図である。メッシュ構造体２０４を複数積層した場合に、すべてのメッシュ構造体２０４にヒータ用導電膜３１０を形成してもよいが、本実施形態は、この場合に限られない。ヒータ用導電膜３１０は、複数のメッシュ構造体２０４のうち、少なくとも２つのメッシュ構造体２０４に設けられてよい。

ヒータ用導電膜３１０は、複数のメッシュ構造体２０４のうち、最表層に配置されるメッシュ構造体２０４ａの裏面、２層目以降のメッシュ構造体２０４ｂのおもて面および裏面のいずれかの面に形成してもよい。例えば、２層目以降のメッシュ構造体２０４ｂについては、おもて面および裏面の双方にヒータ用導電膜３１０をヒータ３００として配置して、加熱効率を高めてもよい。

複数のメッシュ構造体２０４を張り合わせる方法としては、例えば、低融点ガラスを３００℃〜５００℃で加熱溶解させこれを介して接着することができる。このとき低融点ガガラスを上述したヒータ用導電膜３１０の保護膜３１１として兼用してもよい。また、ガラス基板を利用した陽極接合によって貼り合わせてもよく、単に重ねるだけでもよい。

以上のように、本実施形態の粒子成分分析装置１００によれば、捕捉体２００は、粒子を捕捉するメッシュ部２２０が形成されたメッシュ構造体２０４を含み、ヒータ用導電膜３１０がメッシュ構造体２０４に設けられる。したがって、エネルギー線の照射光源および光学部品などの高価な部品が必要なくなるのみならず、別途のヒータ３００を設置する必要がない。特に、ヒータ３００として、ヒータ用導電膜３１０を採用することにより、メッシュ構造体２０４の製造時に、ＭＥＭＳ等の微細加工プロセス中の工程として、ヒータ用導電膜３１０を形成することができる。

図６は、第３実施形態における積層構造２０６に含まれる複数のメッシュ構造体２０４ａおよび２０４ｂの断面図である。本例において、積層構造２０６を構成する複数のメッシュ構造体２０４は、空隙率が異なる少なくとも２つのメッシュ構造体を含んでよい。この点を除いて、本例の積層構造２０６は、第２実施形態の積層構造２０６を有する捕捉体２００と同様である。したがって、繰り返しの説明を省略し、同様の部材には、同じ符号を用いて説明する。

おもて面側に比較的空隙率の大きい第１のメッシュ構造体２０４ａを１層または複数層配置してよい。裏面側に、空隙率が第１のメッシュ構造体２０４ａより小さい第２のメッシュ構造体２０４ｂを１層または複数層配置してよい。この態様によれば、第１のメッシュ構造体２０４ａの空隙率が第２のメッシュ構造体２０４ｂより大きくとられているので、上記粒子線１６中の微粒子が捕捉体２００の表面で跳ね返る確率が小さく、第１のメッシュ構造体２０４ａの内部や第２のメッシュ構造体２０４ｂに到達し易くなっている。そして、微粒子は第１または第２のメッシュ構造体２０４ａ、２０４ｂで捕捉されるか、あるいは、第２のメッシュ構造体２０４ｂから跳ね返ったとしても、第１のメッシュ構造体２０４ａを構成するいずれかの格子層に衝突して速度が弱められ捕捉されるので、メッシュ構造体２０４の空隙中に微粒子を確実に捕捉することができる。

また、別の態様において、おもて面側に図４に示されるようなメッシュ構造体２０４を１層または複数層配置し、裏面側に空隙を有さない板体が配置されたものであってもよい。これによれば、メッシュ構造体２０４を通り抜けた粒子であっても、板体によって跳ね返されることによって、メッシュ構造体２０４で捕捉することができる。よって、微粒子を外部に取り逃がすことを防ぎ、大気微粒子を効率よく捕捉することができる。なお、図１で示したような裏面側のヒータ３００を、裏面側の板体として兼用してもよい。この場合、図１で示したように、裏面側のヒータ３００で加熱するようにして、各層におけるヒータ用導電膜３１０を省略してもよい。

また空隙率が最も小さいメッシュ構造体２０４にヒータ用導電膜３１０を設け、空隙率が最も大きい２０４には、ヒータを設けなくともよい。これにより、捕集量の大きいメッシュ構造体２０４を効率よく加熱できる。また、同様に、空隙率が最も小さいメッシュ構造体２０４の前後のメッシュ構造体２０４にもヒータ用導電膜３１０を設けてもよい。

図７は、第４実施形態における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２０８を示す裏面である。本例のメッシュ構造体２０８は、第２および第３実施形態のメッシュ構造体２０４とヒータ用導電膜３２０の形状および配置位置が異なる点を除いて、他の構成は同様である。したがって、同様の構成については繰り返しの説明を省略し、同様の部材には、同じ符号を用いて説明する。本例のメッシュ構造体２０８も、第２および第３実施形態と同様に、メッシュ部２２０と支持枠部２１０とを備える。

本例では、ヒータ用導電膜３２０は、メッシュ構造体２０８のメッシュ部２２０の周囲を取り囲むように、支持枠部２１０に配置される。ヒータ用導電膜３２０は、メッシュ部２２０の領域の外形に沿って配置されてよい。本例では、メッシュ部２２０の領域が円形であるので、ヒータ用導電膜３２０は、円環状の形態をした円環部分と、円環部から円環の外側方向に向かって延びた複数の電極部分３２２、３２４とを有してよい。以上のような微細加工によって形成したメッシュ構造体２０８を１層で、又は典型的には２〜１０層、好ましくは３〜６層を貼り合わせて積層して積層構造を構成してもよい。この場合、積層構造を構成する複数のメッシュ構造体２０８は、空隙率が異なる少なくとも２つのメッシュ構造体２０８を含んでよい。

本例の粒子成分分析装置１００によっても、エネルギー線の照射光源および光学部品などの高価な部品が必要なくなるのみならず、別途のヒータ３００を設置する必要がないという効果を奏する。また、ヒータ用導電膜３２０がメッシュ部２２０を取り囲むように配置されるので、メッシュ部２２０を効果的に加熱して、メッシュ部２２０に捕捉された粒子を効率的に脱離することができる。

図８は、第５実施形態における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２６０の裏面図である。第２実施形態の粒子成分分析装置１００は、第２および第３実施形態のメッシュ構造体２０４、および第４実施形態のメッシュ構造体２０８に比べて、ヒータ用導電膜３３０ａから３３０ｆの形状および配置位置が異なることを除いて、他の構成は同様である。したがって、同様の構成についての繰り返しの説明を省略し、同様の部材には、同じ符号を用いて説明する。

本例のメッシュ構造体２６０は、メッシュ部２２０と支持枠部２１０とを備える。しかし、メッシュ部２２０は、複数のメッシュ部２２０ａから２２０ｇに分割されている。図では、メッシュ部２２０は、模式的に７つのメッシュ部２２０ａから２２０ｇを有するが、本例は、この場合に限定されない。メッシュ部２２０は、Ｙ方向に、２以上であって、開口部２２４の数以下に分割されてよい。

本例では、ヒータ３００として複数のヒータ用導電膜３３０ａから３３０ｆが、Ｙ方向に配列されている。各ヒータ用導電膜３３０ａから３３０ｆは、Ｘ方向に延びている。隣接するメッシュ部２２０ａとメッシュ部２２０ｂの間にヒータ用導電膜３３０ａが配置されている。したがって、メッシュ構造体２６０の面内方向であるＸ‐Ｙ面方向において、ヒータ用導電膜３３０ａから３３０ｆが設けられる領域と、メッシュ部２２０ａから２２０ｇが設けられる領域とが交互に配置されている。本例では、Ｙ方向に沿って、ヒータ用導電膜３３０ａから３３０ｆが設けられる領域と、メッシュ部２２０ａから２２０ｇが設けられる領域とが交互に配置されている。

図９は、第５実施形態における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２６０のＡ−Ａ´線に沿う部分断面図である。複数のメッシュ部２２０ｂおよび２２０ｃは、それぞれ線部２２２と、隣接する線部２２２間の開口部２２４とを含んでよい。複数のメッシュ部２２０ｂおよび２２０ｃにおいて、それぞれ、線部２２２と開口部２２４とが交互に配置されることによって、メッシュ構造が形成されている。

各メッシュ部２２０ｂ、２２０ｃの間には、ヒータ用枠部２２６が形成されてよい。ヒータ用枠部２２６の枠幅は、線部２２２の幅よりも広くてよい。ヒータ用枠部２２６の表面には、ヒータ用導電膜３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃが配置されている。ヒータ用枠部２２６の厚さは、複数のメッシュ部２２０ｂおよび２２０ｃの厚さと同じであってよい。この場合、ヒータ用枠部２２６と、複数のメッシュ部２２０ｂ、２２０ｃとを同一工程で製造することが可能となる。ただし、ヒータ用枠部２２６の厚さは、この場合に限られず、適宜に設定してよい。隣接するヒータ用導電膜３３０ａ、３３０ｂ間の開口部２２４の数は、複数であってよく、特に制限されない。

以上のように構成されるメッシュ構造体２６０を１層で、又は典型的には２〜１０層、好ましくは３〜６層を貼り合わせて積層して積層構造を構成してもよい。図１０は、第５実施形態における複数のメッシュ構造体２６０ａ、２６０ｂが積層された積層構造２６２を示す図である。図１０に示されるとおり、捕捉体２００は、複数のメッシュ構造体２０４ａおよび２０４ｂが積層された積層構造２６２を有してよい。

メッシュ構造体２６０ａは、Ｘ方向に延伸するヒータ用導電膜３３０を有してよく、他のメッシュ構造体２６０ｂは、Ｘ方向と交差するＹ方向に延伸するヒータ用導電膜３３０を有してよい。Ｘ方向に延伸するヒータ用導電膜３３０を有するメッシュ構造体２６０ａとＹ方向に延伸するヒータ用導電膜３３０を有するメッシュ構造体２６０ｂとが交互に複数組積層されていてもよい。

本例のように、一のメッシュ構造体に配置されるヒータであるヒータ用導電膜３３０と他のメッシュ構造体に配置されるヒータであるヒータ用導電膜３３０とが、互いに交差する方向に延伸される場合、積層構造２６２全体として、ＸＹ方向での温度分布を均一化させることができる。したがって、捕捉体２００としての積層構造２６２に捕捉された粒子をＸ―Ｙ面内の領域の位置によらず効果的に脱離させることが可能となる。

以上のように、本例の粒子成分分析装置１００によれば、メッシュ構造体２６０の面内方向において、ヒータ用導電膜３３０が設けられる領域とメッシュ部２２０ａから２２０ｇが形成される領域とが交互に配置されている。したがって、ヒータ用導電膜３３０をメッシュ部２２０ａから２２０ｇの近くに配置でき、粒子を効率的に脱離することができる。なお、図８から図１０の説明では、Ｘ方向またはＹ方向に沿って、ヒータ用導電膜３３０ａから３３０ｆが設けられる領域と、メッシュ部２２０ａから２２０ｇが設けられる領域とが交互に配置されている場合が示された。しかし、本例は、メッシュ構造体２６０の面内方向において、ヒータとメッシュ部が形成される領域とが交互に配置されていれば、これらの場合に限られない。同心円状に、ヒータが設けられる領域とメッシュ部が形成される領域とが交互に配置されてもよい。

図１１は、第６実施形態における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２７０の拡大平面図である。図１２は、第６実施形態における捕捉体２００に含まれるメッシュ構造体２７０のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。本例のメッシュ構造体２７０は、ヒータ用導電膜３４０がメッシュ部２２０自体に形成されていること、およびメッシュ部２２０が熱絶縁支持層２６３を備えていることを除いて、第２実施形態の構成と同様である。したがって、同様の構成について繰り返しの説明を省略し、同様の部材には、同じ符号を用いて説明する。

本例のメッシュ構造体２７０は、メッシュ部２２０および支持枠部２１０を備える。本例のヒータ用導電膜３４０は、図１１に示されるとおり、メッシュ部２２０の格子サイズに合わせて形成されている。ヒータ用導電膜３４０の線幅は、線部２２２の幅に合わせて、１μｍ以上１０μｍ以下程度でよい。また、隣接する列間のヒータ用導電膜３４０同士の間隔は、開口部２２４の目開きに合わせて、１０μｍ以上１００μｍ以下程度でよい。図１１に示されるとおり、１本のヒータ用導電膜３４０を複数の線部２２２の形状に沿って形成してよい。

メッシュ部２２０は、熱絶縁支持層２６３を備える。熱絶縁支持層２６３は、例えば、熱酸化ＳｉＯ_２膜２６４、Ｓｉ_３Ｎ_４膜２６５、ＳｉＯ_２膜２６６の三層構造となっている。ヒータ用導電膜３４０は、熱絶縁支持層２６３上に形成されてよい。具体的には、例えば、熱酸化ＳｉＯ_２膜２６４、Ｓｉ_３Ｎ_４膜２６５、ＳｉＯ_２膜２６６、およびヒータ用導電膜３４０の並び順で積層されている。ヒータ用導電膜３４０は、電気絶縁膜２６７に覆われて、保護されてよい。電気絶縁膜２６７は、例えば、ＳｉＯ_２である。

支持枠部２１０は、シリコン材質で形成してよく、シリコン部分２７２の上方に、熱酸化ＳｉＯ_２膜２６４、Ｓｉ_３Ｎ_４膜２６５、ＳｉＯ_２膜２６６、および電気絶縁膜２６７を有してよい。以上のようなメッシュ構造体２７０は、Ｓｉ基板をフォトエッチングにより微細加工して製造することができる。例えば、Ｓｉ基板の表面に熱酸化ＳｉＯ_２膜２６４を形成する。そして、熱酸化ＳｉＯ_２膜２６４を形成したＳｉ基板上に、Ｓｉ_３Ｎ_４膜２６５およびＳｉＯ_２膜２６６を順次にプラズマＣＶＤ法により形成する。この結果、熱酸化ＳｉＯ_２膜２６４、Ｓｉ_３Ｎ_４膜２６５、およびＳｉＯ_２膜２６６により、熱絶縁支持層２６３を構成する。

次に、例えば、Ｔａ／Ｐｔ−Ｗなどの導電膜層を成膜し、パターニングすることで、ヒータ用導電膜３４０を形成する。次いで、ヒータ用導電膜３４０上に電気絶縁膜２６７を形成する。次いで、電気絶縁膜２６７および熱絶縁支持層２６３をパターニングして、線部２２２および開口部２２４を形成する。一方、支持枠部２１０をマスクした上で、メッシュ部２２０の領域の裏面部分をエッチングして、メッシュ部２２０と支持枠部２１０で囲まれて空洞化された空間が形成されてよい。但し、メッシュ構造体２７０の製造工程は、上記の場合に限定されない。

本例によれば、メッシュ部２２０自体、すなわちメッシュ部２２０の線部２２２自体に、ヒータ用導電膜３４０が内蔵されている。したがって、メッシュ部２２０に捕捉された粒子を効果的に加熱しやすい。ヒータ用導電膜３４０に供給する電力も抑えられるので、低消費電力化することもできる。特に、ヒータ用導電膜３４０が熱絶縁支持層２６３上に形成される場合には、熱容量を小さくできるので、さらに低消費電力化を達成することができる。

本明細書における各実施形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、第３実施形態は、他の実施形態と組みわせることができる。以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０・・粒子線生成部、１２・・オリフィス、１４・・粒子線射出口、１６・・粒子線、２０・・分析器、２２・・イオン化領域、３０・・制御部、４０・・捕捉体支持部、５０・・吸引部、１００・・粒子成分分析装置、２００・・捕捉体、２０２・・捕捉面、２０４・・メッシュ構造体、２０６・・積層構造、２０８・・メッシュ構造体、２１０・・支持枠部、２２０・・メッシュ部、２２２・・線部、２２４・・開口部、２２６・・ヒータ用枠部、２６０・・メッシュ構造体、２６２・・積層構造、２６３・・熱絶縁支持層、２６４・・熱酸化ＳｉＯ_２膜、２６５・・Ｓｉ_３Ｎ_４膜、２６６・・ＳｉＯ_２膜、２６７・・電気絶縁膜、２７０・・メッシュ構造体、２７２・・シリコン部分、３００・・ヒータ、３０２・・ヒータ制御線、３０４・・温度センサ、３０６・・温度センサ用配線、３１０・・ヒータ用導電膜、３１１・・保護膜、３１２・・電極部分、３１４・・電極部分、３２０・・ヒータ用導電膜、３２２・・電極部分、３２４・・電極部分、３３０・・ヒータ用導電膜、３４０・・ヒータ用導電膜、４００・・減圧容器、４０２・・隔壁、４０４・・隔壁、４０５・・減圧室、４０６・・減圧室、４０７・・減圧室、４２０・・捕捉体保持容器、４２２・・導管

Claims

測定対象となるエアロゾル中の粒子を捕捉する捕捉体と、
前記捕捉体に配置されて、前記捕捉体を加熱して前記捕捉体に捕捉された粒子を脱離させて脱離成分を生じさせるヒータと、
前記脱離成分に基づいて粒子の成分および量の少なくとも一方を分析する分析器と、を備えており、
前記捕捉体は、複数のメッシュ構造体が積層された積層構造を有し、
前記複数のメッシュ構造体は、それぞれ前記粒子を捕捉するメッシュ部が形成されており、
前記ヒータは、前記複数のメッシュ構造体のうち、一のメッシュ構造体と他のメッシュ構造体とを含む少なくとも２つのメッシュ構造体に設けられており、
前記一のメッシュ構造体に配置されるヒータと前記他のメッシュ構造体に配置されるヒータとは、互いに交差する方向に延伸されている、粒子成分分析装置。
前記複数のメッシュ構造体は、互いにメッシュ部の空隙率が異なる少なくとも２つのメッシュ構造体を含む
請求項１に記載の粒子成分分析装置。
前記メッシュ構造体の面内方向において、前記ヒータが設けられる領域と前記メッシュ部が形成される領域とが交互に配置されている
請求項１または２に記載の粒子成分分析装置。
前記ヒータは、前記メッシュ部に形成される
請求項１から３の何れか１項に記載の粒子成分分析装置。
前記メッシュ部は、熱絶縁支持層を有し、
前記ヒータは、前記熱絶縁支持層上に形成される
請求項４に記載の粒子成分分析装置。
前記ヒータは、メッシュ構造体の温度が３００°Ｃ以上５００°Ｃ以下となるように加熱する
請求項１から５の何れか１項に記載の粒子成分分析装置。
前記ヒータは、ヒータ用の導電膜を含み、
前記導電膜に電流が流れることによって発熱する
請求項１から６の何れか１項に記載の粒子成分分析装置。