特許 6682023 ラドンセンサとインタフェース回路を備えるウェハー基盤ラドン検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6682023

(24)【登録日】2020年3月26日

(45)【発行日】2020年4月15日

(54)【発明の名称】ラドンセンサとインタフェース回路を備えるウェハー基盤ラドン検出器

(51)【国際特許分類】

   G01T 1/167 20060101AFI20200406BHJP

   G01T 1/16 20060101ALI20200406BHJP

【ＦＩ】

   G01T1/167 C

   G01T1/16 A

【請求項の数】6

【外国語出願】

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2019-16044(P2019-16044)

(22)【出願日】2019年1月31日

【審査請求日】2019年2月5日

(31)【優先権主張番号】10-2019-0009636

(32)【優先日】2019年1月25日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】519037751

【氏名又は名称】アイザラボ カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｉｓｓａｌａｂ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100121382

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 託嗣

(72)【発明者】

【氏名】イム，ウ ソク

【審査官】 右▲高▼ 孝幸

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１１−５０９４０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１５７８６４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｔ １／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ラドン検出器であって、
基板（１０）と、
前記基板の上部面を少なくとも部分的にカバーするハウジング（２０）と、
ラドンを検出するラドンセンサ、及び、ラドンセンサと電気的に接続されたインタフェース回路が形成された集積回路（ＩＣ）チップ（３０）と、
を含み、
前記基板の表面の一部の領域にて、前記基板と前記ハウジングとの間にチャンバーが形成され、前記ＩＣチップが、このチャンバー領域内における前記基板の表面に実装されており、
前記ハウジングによってカバーされていない、前記基板の上部の面に形成された端子部（１１）と、
前記インタフェース回路への電源の供給及び通信のために、前記インタフェース回路と前記端子部とを電気的に接続する複数の配線（１２）と、
を含むことを特徴とする、ラドンセンサとインタフェース回路を備えるウェハー基盤ラドン検出器。

【請求項2】

前記ハウジング（２０）が、前記チャンバーを取り囲むチャンバー形成部（２１）と、前記チャンバー形成部と一体に連結され、前記基板の上部面をカバーする上部カバー（２２）と、前記上部カバー（２２）と一体に連結され、前記基板の側面をカバーする側面カバー（２３）とから構成されることを特徴とする、請求項１に記載のラドンセンサとインタフェース回路を備えるウェハー基盤ラドン検出器。

【請求項3】

前記チャンバー内で前記基板の上部面に実装され、光を放出できる発光部（１５）をさらに含み、
前記発光部のオン／オフによる前記ラドンセンサの応答電流に基づいて、ラドンセンサの故障の有無を判断するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のラドンセンサとインタフェース回路を備えるウェハー基盤ラドン検出器。

【請求項4】

前記発光部に電源を供給するために前記発光部と端子部を接続する電源ラインと、
前記端子部に形成され、前記発光部への電源供給をオン／オフする半導体スイッチング手段と、
を含むことを特徴とする、請求項３に記載のラドンセンサとインタフェース回路を備えるウェハー基盤ラドン検出器。

【請求項5】

前記発光部に電源を供給するために前記発光部とインタフェース回路を接続する電源ラインと、
前記インタフェース回路に形成され、前記発光部への電源供給をオン／オフする半導体スイッチング手段と、
を含むことを特徴とする、請求項３に記載のラドンセンサとインタフェース回路を備えるウェハー基盤ラドン検出器。

【請求項6】

前記インタフェース回路が、
前記ラドンセンサから受信する光電流からノイズをフィルタリングするフィルタリング手段と、
フィルタリングされた光電流を増幅する増幅手段と、
増幅された光電流を、予め設定された基準値と比較して、アルファ粒子、ベータ粒子、及び／又はガンマ粒子による出力電圧を生成する比較器と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載のラドンセンサとインタフェース回路を備えるウェハー基盤ラドン検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ラドン検出器に関する発明で、より詳細には、ラドンセンサとインタフェース回路を一体化して１つのＩＣチップで具現したラドン検出器に関する。

【0002】

本発明は、下記のように大韓民国行政安全部の国家研究開発事業によって支援されたものである。

【0003】

［この発明を支援した国家研究開発事業］
［課題固有番号］２０１８−ＭＯＩＳ３２−０１０−０１０１００００−２０１８
［部署名］行政安全部
［研究管理専門機関］国立災難安全研究員
［研究事業名］災難安全産業育成支援事業
［研究課題名］換気及び空気浄化装置の自動制御出力を備えた室内ラドン及び微細ホコリ濃度測定機の開発

【背景技術】

【0004】

自然発生的な放射性核種であるラドン（Ｒｎ）は、不活性ガスと呼ばれる１８族に属し、原子番号８６番の元素である。ラドンは、１級発ガン物質に規定され、タバコの次に、肺ガンによる死亡に関わっており、最近では、建物の資材、内装材、ベッドなどの家具など、日常生活の至る所で、ラドン露出の危険性が知られることにより、ラドンに対する国民的な関心が高まっている。

【0005】

ラドン測定のための様々な測定方式のラドン測定機が開発されているが、一般的にピン（ＰＩＮ）フォトダイオードを用いたラドン検出器が幅広く利用されている。ＰＩＮフォトダイオードは、Ｐ−Ｎの両領域間に、検出感度を高めるための目的で、真性半導体領域を追加したＰ−Ｉ−Ｎ構造のフォトダイオードである。ラドン粒子の崩壊時に発生する、アルファ粒子、ベータ粒子、及び／又はガンマ粒子が、ＰＩＮフォトダイオードに入射するときに光電流が生成され、この光電流の発生頻度をカウントしてラドン濃度を測定する。

【0006】

図１には、ＰＩＮフォトダイオードを用いる一般的なラドン検出器を概略的に示した。ＰＩＮフォトダイオードの検出センサ１００が電線４００を介して基板に接続され、基板上には、制御モジュール２００とインタフェース回路３００が実装されている。ラドンの放射線粒子の衝突により検出センサ１００が光電流を生成し、これをインタフェース回路３００に伝達すれば、インタフェース回路３００は、光電流をフィルタリング及び増幅して、これを制御モジュール２００に伝達し、制御モジュール２００は、所定時間の間、光電流をカウントして、ラドン濃度を算出する。

【0007】

しかし、このような従来技術の場合、ラドンセンサとインタフェース回路とが分離されているが、電気的な配線接続を介して連結すればノイズが多く信号損失が増大することから、正確な検出データを確保し難いという問題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の一実施形態によれば、ラドンセンサとインタフェース回路を１つのチップに設計して一体化し、ラドンセンサとインタフェース回路との間の信号損失を最小化してノイズを減少させることで、安定的かつ信頼性のあるラドン測定データを取得できるラドン検出器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一実施形態によれば、ラドン検出器であって、(1)基板と、(2)前記基板の上部面を少なくとも部分的にカバーするハウジングと、(3)ラドンを検出するラドンセンサ、及び、ラドンセンサと電気的に接続されたインタフェース回路が形成された集積回路（ＩＣ）チップとを含み、前記基板の表面の一部の領域で、前記基板と前記ハウジングとの間にチャンバーが形成され、前記ＩＣチップが、このチャンバー領域内における前記基板の表面に実装されたことを特徴とする、ラドンセンサとインタフェース回路を備えるウェハー基盤(wafer-based)ラドン検出器を提供する。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一実施形態によれば、ラドンセンサとインタフェース回路とを１つのＩＣチップに設計して一体化し、ラドン測定信号の信号損失を最小化してノイズを低減することで、正確かつ安定的なラドン測定値を取得することができる。

【0011】

また、本発明の一実施形態によれば、ラドンセンサとインタフェース回路が一体化されたＩＣチップとを基板実装し、基板にハウジングを締結して、ラドン検出器をモジュール化することで、ラドン検出器同士の間の性能偏差を減らし、安定的かつ信頼性のある測定データが取得されるラドン検出器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】従来のラドン検出器を説明する図である。

【図2】本発明の一実施形態に係るラドン検出器の斜視図である。

【図3】一実施形態に係るラドン検出器の断面図である。

【図4】一実施形態に係るラドン検出器の平面図である。

【図5】一実施形態に係るラドン検出器のインタフェース回路のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以上の本発明の目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面に関する以下の好適な実施形態によって容易に理解されるのであろう。しかし、本発明は、ここで説明される実施形態に限定されることなく、別の形態に具体化されてもよい。むしろ、ここで紹介される実施形態は、開示された内容が徹底かつ完全なものになるように、そして当業者に本発明の思想が十分伝えられるようにするために提供されるものである。

【0014】

本明細書の図面において、構成要素の長さ、厚さ、広さなどの数値は、技術的な内容の効果的な説明のために誇張して表示されうる。

【0015】

本明細書において、単数型は特に言及されない限り複数型を含む。明細書で用いられる「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）及び／又は（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、言及された構成要素について、１つ以上の異なる構成要素の存在又は追加を排除しない。

【0016】

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。以下、特定の実施形態を記述することにおいて、様々の特的な内容は、発明をさらに具体的に説明して理解を助けるために作成されたものである。しかし、本発明を理解できる程度の本分野での知識を有する者であれば、様々な特定的な内容がなくても使用できることを認知し得る。場合により、発明の記述において、周知の発明と大きく関連のない部分は、本発明の説明において混沌を防ぐために記述しないことを予め言及しておく。

【0017】

図２は、本発明の一実施形態に係るラドン検出器の斜視図であり、図３は、ラドン検出器の断面図を概略的に示した。

【0018】

図面を参照すると、一実施形態に係るラドン検出器は、基板１０、基板１０の上部をカバーするハウジング２０、及び、基板１０上に取り付けられた集積回路（ＩＣ）チップ３０を含む。一実施形態において、基板１０は、非伝導性の任意の板状の材質から構成され、その表面に、配線及び／又は接地のために、銅箔又は金箔のパターン又はコーティング層が形成され得る。これに代えて、基板１０は、配線が内部又は表面に印刷されたプリント回路板であってもよい。

【0019】

ハウジング２０は、基板１０の上面を少なくとも部分的にカバーする部材であり、内部にチャンバー２４を備えるように構成される。図示する実施形態において、ハウジング２０は、チャンバー２４を取り囲むチャンバー形成部２１、チャンバー形成部２１と一体に連結されて基板１０の上部面をカバーする上部カバー２２、及び、上部カバー２２と一体に連結されて基板１０の側面をカバーする側面カバー２３から構成されうる。

【0020】

図３に示すように、端子部１１が配置された領域を除いた基板１０の表面を、ハウジング２０のチャンバー形成部２１と上部カバー２２がカバーしており、上部カバー２２から延長されて延びている側面カバー２３が、基板１０の側面をカバーしている。側面カバー２３は、上部カバー２２から少なくとも１回折り曲げられて、基板１０の側面に密着するように構成されており、このような構造によって、外部の光がチャンバー２４の内部に流入せず、チャンバー２４が暗室の状態に保持されうる。しかし、基板１０とハウジング２０との間には、微細な隙間が存在することから、外気はチャンバー２４内に流入しうる。

【0021】

ＩＣチップ３０は、チャンバー２４の領域内にて、基板１０の上部表面に配置される。ＩＣチップ３０は、ラドンを検出するラドンセンサと、このラドンセンサに電気的に接続されたインタフェース回路を含むのであり、これについては図４を参照して後述する。

【0022】

一実施形態において、基板１０とハウジング２０とは、締結部２５によって結合される。締結部２５は、例えば、螺合又はボルト・ナット結合などの公知の締結方式を用いた締結手段でりうるのであり、特定の締結方式に制限されることはない。

【0023】

図４は、一実施形態に係るラドン検出器の平面図であり、基板１０上に実装された構成要素を概略的に示している。図面で円形の点線は、ハウジング２０のチャンバー形成部２１と基板１０が接する地点を表示したものであり、したがって、点線の内部がチャンバー２４の領域であることが理解されよう。

【0024】

図面を参照すると、ＩＣチップ３０は、ラドンを検出するラドンセンサ３１、及び、ラドンセンサ３１と電気的に接続されたインタフェース回路３５を含む。一実施形態において、ラドンセンサ３１は、ピン（ＰＩＮ）フォトダイオードから構成されており、ラドンから放出するアルファ粒子、ベータ粒子、及び／又はガンマ粒子が、ラドンセンサ３１の表面に衝突する際に、電気的な信号を生成してインタフェース回路３５に伝達する。

【0025】

インタフェース回路３５は、ラドンセンサ３１から受信した電気的な信号をフィルタリングして増幅した後、外部の制御モジュール（例えば、図１に示す制御モジュール２００）に送信し得る。そのため、基板１０が端子部１１及び複数の配線１２を含み得る。一実施形態において、端子部１１は、ハウジング２０によってカバーされない、基板１０の上部面のうちの一部の面に形成されうる。

【0026】

配線１２は、ＩＣチップ３０と端子部１１との間を電気的に接続する。一実施形態において、配線１２は、基板１０の表面や内部に予め印刷されている。ＩＣチップ３０をダイボンディングにより基板１０の表面に接合し、その後、ワイヤーボンディングによりインタフェース回路３５の端子を、配線１２の端部１２ａに電気的に接続し得る。外部装置（例えば、図１に示す制御モジュール２００）との電気的な接続のために、１つ以上の電線２１０が端子部１１に接続されるのであり、ＩＣチップ３０が、外部装置と通信し、電源の供給を受けることができる。

【0027】

一実施形態において、ラドン検出器は、基板１０に実装された発光部１５をさらに含み得る。図示する実施形態において、発光部１５は、基板１０の上部表面にＩＣチップ３０に隣接して配置される。発光部１５は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。基板１０は、また、発光部１５に電源を供給するための電源線１３を含む。一実施形態において、電源線１３は、発光部１５と端子部１１を電気的に接続し、電源線１３は、基板１０の表面又は基板の内部に予め印刷されたパターンとして具現されうる。端子部１１は、発光部１５への電源供給をオン／オフするための半導体スイッチをさらに含みうる。

【0028】

代替的な一実施形態において、電源線１３が発光部１５とインタフェース回路３５を電気的に接続するように構成してもよく、この場合、インタフェース回路３５が発光部１５への電源供給をオン／オフする半導体スイッチを含み得る。更なる代替的な一実施形態において、発光部１５への電源供給をオン／オフする半導体スイッチが、ラドン検出器の外部の装置（例えば、図１に示す制御モジュール２００）に設けられてもよい。

【0029】

以上のような構成によると、発光部１５を用いてラドンセンサ３１の故障の有無をテストできる。外部の光がチャンバー２４の内部に入れないため、チャンバー２４は常に暗状態であり、ラドンセンサ３１とインタフェース回路３５との間には電流が流れていないか、ノイズ電流のみが存在する。しかし、発光部１５が光を放出すれば、ラドンセンサ３１がこれを検出して電流を生成し、インタフェース回路３５に伝達する。したがって、制御モジュール２００は、発光部１５をオン／オフしたとき、インタフェース回路３５がラドンセンサ３１から受信する電流の差を分析してラドンセンサ３１が不良であるか否かを判断できる。

【0030】

このように、従来には、ラドン検出器を設けて使用する間に、ラドンセンサの故障の有無を把握できなかったが、本発明によれば、発光部１５を、ハウジング２０内にＩＣチップ３０と共に設けることで、ラドンセンサの故障の有無を、所定の時間周期ごとに容易に確認することができる。

【0031】

図５は、一実施形態に係るラドン検出器のインタフェース回路についての例示的なブロック図である。

【0032】

図面を参照すると、インタフェース回路３５は、ノイズフィルター３５１、増幅器３５２、及び比較器３５３を含む。ラドンから放出されるアルファ粒子、ベータ粒子、又は、ガンマ粒子がラドンセンサ３１の表面に衝突すれば、ラドンセンサ３１にて電流（光電流）が生成され、インタフェース回路３５に伝達する。ノイズフィルター３５１は、ラドンセンサ３１から受信する光電流からノイズを除去する。ノイズの除去された光電流は、電流が極めて弱いため、増幅器３５２にて光電流を増幅する。増幅された光電流は、比較器３５３に伝えられ、比較器３５３は、光電流を、予め設定された基準値と比較して、アルファ粒子、ベータ粒子、及び／又はガンマ粒子による出力電圧を生成する。アルファ粒子、ベータ粒子、及びガンマ粒子によりラドンセンサ３１が生成する光電流の大きさがそれぞれ異なるため、各粒子による光電流を区分するために、１つ以上の基準値を予め設定し、比較器３５３は、光電流と１つ以上の基準値とを比較して、アルファ粒子、ベータ粒子、及びガンマ粒子のうちの、いずれの放射線粒子を受信したかを判断することができる。

【0033】

比較器３５３は、アルファ粒子、ベータ粒子、及びガンマ粒子による出力電圧を生成し、端子部１１を介して外部装置（例えば、図１に示す制御モジュール２００）に送信するのであり、制御モジュール２００は、この出力電圧を受信して、各放射線粒子を受信した回数をカウントし、所定時間の間にカウントした数字に応じて、ラドン濃度を算出し得る。

【0034】

上述したように本発明によれば、ラドンセンサ３１とインタフェース回路３５とを１つのＩＣチップ３０に設計して一体化し、また、基板１０とハウジング２０とを結合してモジュール化することにより、ラドンの検出を安定的かつ信頼性のあるように行うことができる。

【0035】

図１に示すような従来技術において、ラドンセンサ１００で検出した光電流が電線４００を介してインタフェース回路３００に伝えられる際に、信号損失及びノイズが多く発生して、正確なラドンの検出をできないという問題があった。しかし、本発明によれば、半導体ウェハーからＩＣチップ３０を製造する際に、ラドンセンサ３１とインタフェース回路３５とを一緒に製造し、１つのＩＣチップ３０に、ラドンセンサとインタフェース回路とを一体化することで、ラドンセンサ３１とインタフェース回路３５との間のノイズを大幅に減少させ、信号損失を最小化することができる。

【0036】

また、ＰＩＮフォトダイオード方式のラドンセンサの場合、正確なラドンの測定のために、ラドンセンサを光のないハウジング内に設置しなければならないのであるが、従来のようにセンサの単位又は基板の単位で販売する場合、ユーザがハウジングを別途に製造して、ラドン検出器を製造しなければならなかった。したがって、ハウジング内に光が入り込みうるのであり、ラドン検出器の製造後に、ラドンセンサの故障の有無をテストすることができず、ラドン検出器同士の間の性能の偏差が大きくて、ラドン測定データを信頼できない場合が多かった。

【0037】

しかし、本発明では、ラドンセンサ３１とインタフェース回路３５とが一体化したＩＣチップ３０を基板１０に実装し、ハウジング２０を締結してラドン検出器をモジュール化したため、ラドン検出器同士の間の性能が一定であり、安定的かつ信頼性のある測定データを取得することができる。

【0038】

上述したように、本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば、上述した明細書の記載から様々な修正及び変形が可能であることを理解しうる。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態に限定されて決定されてはならず、特許請求の範囲及び特許請求の範囲と均等なものらによって定められなければならない。

【符号の説明】

【0039】

１０：基板
１１：端子部
１５：発光部
２０：ハウジング
２５：締結部
３０：ＩＣチップ
３１：ラドンセンサ
３５：インタフェース回路

【要約】      （修正有）

【課題】信号損失を最小化してノイズを減少させることで、安定的かつ信頼性のあるラドン測定データを取得できるラドン検出器を提供する。
【解決手段】本発明は、ラドン検出器であって、(1)基板１０と、(2)前記基板の上部面を少なくとも部分的にカバーするハウジング２０と、(3)ラドンを検出するラドンセンサ、及び、ラドンセンサと電気的に接続されたインタフェース回路が形成された集積回路（ＩＣ）チップとを含み、前記基板の表面の一部の領域で、前記基板と前記ハウジングとの間にチャンバーが形成され、前記ＩＣチップが、このチャンバー領域内における前記基板の表面に実装されたことを特徴とする、ラドンセンサとインタフェース回路を備えるウェハー基盤(wafer-based)ラドン検出器を提供する。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】