洁净室中空气颗粒物沉积机制

 洁净室中空气颗粒物沉积机制

1. 洁净室按ISO14644-1:1999依据空气中颗粒物浓度分类，但空气中颗粒物浓度无法直接衡量表面和产品受污染程度，需通过测定产品附近表面的颗粒沉积率（PDR）确定。

2. 已有研究多关注半导体制造中小颗粒（1微米）沉积，且关于洁净室颗粒沉积的信息多为理论性，湍流沉积影响被忽视。本文旨在回顾相关已发表信息，特别是较大颗粒（10微米）的，同时报告包括湍流沉积在内的不同沉积机制重要性的实验研究结果。

二、颗粒沉积机制

1. **主要机制**

    - **重力沉降**：对约0.5微米以上颗粒是主要机制，沉积速度与颗粒直径平方成正比，如5微米颗粒沉降速度约0.08厘米/秒，50微米约8厘米/秒。

    - **湍流沉积**：空气清流将颗粒物沉积到表面，大于约1微米的颗粒物因惯性沉积，空气流越大，沉积越多。

    - **静电吸引**：带电荷颗粒被带相反电荷表面吸引，洁净室设计会减少关键表面静电荷，仅在特定情况下重要。

    - **布朗扩散**：对0.5微米以下颗粒重要，因受空气分子和其他颗粒撞击产生随机运动而沉积。

2. **次要机制**：包括撞击、拦截、热泳、湍流泳，在洁净室中通常不重要。

## 三、粒子沉积率（PDR）

1. 定义：单位时间内沉积到单位表面积上的粒子数量，本文单位为个/平方分米/小时。

2. 计算：通过在标准时间内测量沉积到标准表面积上的粒子数量得出，需扣除清洁后见证板上的背景计数。

## 四、实验设备与方法

1. **洁净室参数**：非UDAF型，面积25m²，体积67.5m³，正常情况下9个风机过滤单元，总供气量4050m³/h，换气次数约60次/小时；实验时开启2个，总送风量900m³/h，换气率约13次/小时，还研究了无通风和单向气流状态。

2. **颗粒来源**：实验期间3人在洁净室，穿普通室内服装，通过活动产生颗粒。

3. **见证板**：直径12厘米（面积49平方厘米）的洁净玻璃观察板，暴露约90分钟后用HE850颗粒沉积测量仪计数和测量尺寸。

4. **等效直径计算**：通过颗粒顶面面积计算，公式为\(Equivalent particle diameter =\sqrt{4A/\pi}\)（A为颗粒顶面面积）。

## 五、实验结果与分析

1. **10微米颗粒沉积**

    - 不同通风条件下，顶板（朝上）的粒子沉积率（PDR）显著更高，重力沉积占总沉积量的82%，非重力沉积占18%。

    - 非重力沉积中，湍流沉积至少占一半，在每小时13次空气交换状态下，非重力沉积量是不通风状态的两倍；单向气流条件下，非重力沉积量取决于平板相对于气流的朝向，立方体后方湍流强度最大，沉积量最高。

2. **携带微生物的颗粒（MCPs）沉积**：总非重力沉积率为6%，94%来自重力沉积，因营养琼脂无静电荷，剩余沉积可能主要由湍流沉积造成，MCPs平均空气动力学粒径约12微米，粒径分布比10微米颗粒更小。

3. **平行见证板研究**：在三种通风条件下，沉积在下部和上部平板上的10微米颗粒百分比相近，接近50%。

## 六、结论

1. 洁净室中颗粒主要沉积机制为重力沉降、湍流沉积，特定情况下有静电吸引，布朗扩散对小于0.5微米颗粒重要。

2. 10微米颗粒沉积中，重力沉降占82%，非重力沉积占18%，其中至少一半为湍流沉积。

3. 不同实验条件和颗粒类型下，沉积机制占比有所差异，粒径分布是影响因素之一。