潔凈室中空氣顆粒物沉積機制

 潔凈室中空氣顆粒物沉積機制

1. 潔凈室按ISO14644-1:1999依據空氣中顆粒物濃度分類，但空氣中顆粒物濃度無法直接衡量表面和產品受污染程度，需通過測定產品附近表面的顆粒沉積率（PDR）確定。

2. 已有研究多關注半導體制造中小顆粒（1微米）沉積，且關于潔凈室顆粒沉積的信息多為理論性，湍流沉積影響被忽視。本文旨在回顧相關已發表信息，特別是較大顆粒（10微米）的，同時報告包括湍流沉積在內的不同沉積機制重要性的實驗研究結果。

二、顆粒沉積機制

1. **主要機制**

    - **重力沉降**：對約0.5微米以上顆粒是主要機制，沉積速度與顆粒直徑平方成正比，如5微米顆粒沉降速度約0.08厘米/秒，50微米約8厘米/秒。

    - **湍流沉積**：空氣清流將顆粒物沉積到表面，大于約1微米的顆粒物因慣性沉積，空氣流越大，沉積越多。

    - **靜電吸引**：帶電荷顆粒被帶相反電荷表面吸引，潔凈室設計會減少關鍵表面靜電荷，僅在特定情況下重要。

    - **布朗擴散**：對0.5微米以下顆粒重要，因受空氣分子和其他顆粒撞擊產生隨機運動而沉積。

2. **次要機制**：包括撞擊、攔截、熱泳、湍流泳，在潔凈室中通常不重要。

## 三、粒子沉積率（PDR）

1. 定義：單位時間內沉積到單位表面積上的粒子數量，本文單位為個/平方分米/小時。

2. 計算：通過在標準時間內測量沉積到標準表面積上的粒子數量得出，需扣除清潔后見證板上的背景計數。

## 四、實驗設備與方法

1. **潔凈室參數**：非UDAF型，面積25m2，體積67.5m3，正常情況下9個風機過濾單元，總供氣量4050m3/h，換氣次數約60次/小時；實驗時開啟2個，總送風量900m3/h，換氣率約13次/小時，還研究了無通風和單向氣流狀態。

2. **顆粒來源**：實驗期間3人在潔凈室，穿普通室內服裝，通過活動產生顆粒。

3. **見證板**：直徑12厘米（面積49平方厘米）的潔凈玻璃觀察板，暴露約90分鐘后用HE850顆粒沉積測量儀計數和測量尺寸。

4. **等效直徑計算**：通過顆粒頂面面積計算，公式為\(Equivalent particle diameter =\sqrt{4A/\pi}\)（A為顆粒頂面面積）。

## 五、實驗結果與分析

1. **10微米顆粒沉積**

    - 不同通風條件下，頂板（朝上）的粒子沉積率（PDR）顯著更高，重力沉積占總沉積量的82%，非重力沉積占18%。

    - 非重力沉積中，湍流沉積至少占一半，在每小時13次空氣交換狀態下，非重力沉積量是不通風狀態的兩倍；單向氣流條件下，非重力沉積量取決于平板相對于氣流的朝向，立方體后方湍流強度最大，沉積量最高。

2. **攜帶微生物的顆粒（MCPs）沉積**：總非重力沉積率為6%，94%來自重力沉積，因營養瓊脂無靜電荷，剩余沉積可能主要由湍流沉積造成，MCPs平均空氣動力學粒徑約12微米，粒徑分布比10微米顆粒更小。

3. **平行見證板研究**：在三種通風條件下，沉積在下部和上部平板上的10微米顆粒百分比相近，接近50%。

## 六、結論

1. 潔凈室中顆粒主要沉積機制為重力沉降、湍流沉積，特定情況下有靜電吸引，布朗擴散對小于0.5微米顆粒重要。

2. 10微米顆粒沉積中，重力沉降占82%，非重力沉積占18%，其中至少一半為湍流沉積。

3. 不同實驗條件和顆粒類型下，沉積機制占比有所差異，粒徑分布是影響因素之一。