淺述高純氣體中微量水的分析

葉相平

（佛山市華特氣體有限公司，廣東佛山 528244）

·分析與測試·

淺述高純氣體中微量水的分析

葉相平

（佛山市華特氣體有限公司，廣東佛山 528244）

敘述了化工生產(chǎn)中電容法分析六氟化硫、四氟化碳，壓電晶體法分析超純氣體，光腔衰蕩光譜法測定超純氨中的微量水含量的方法，通過在實(shí)驗(yàn)及工作中發(fā)現(xiàn)用這三種方法分析高純氣體的水含量可行，能滿足產(chǎn)品生產(chǎn)監(jiān)測的需要。

微量水分析；電容法；壓電法；光腔衰蕩光譜法

1 概 述

隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高純氣體的需求量逐漸增加。高純氣體在大規(guī)模集成電路的研究和生產(chǎn)、高純金屬的冶煉和處理、太陽能光伏產(chǎn)業(yè)等各領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。高純氣體中的水分含量是影響氣體質(zhì)量的重要指標(biāo)，是影響用氣產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。因此，需要嚴(yán)格控制高純氣的水分含量。本文結(jié)合我司工藝生產(chǎn)的具體實(shí)際情況，簡略論述電容法、壓電法及光腔衰蕩光譜法檢測高純氣中水含量原理及其在實(shí)際工作中的應(yīng)用。

2 采樣及氣路連接的要求

2.1 采樣前注意事項(xiàng)

高純氣體中微量水的分析對操作要求非常高，環(huán)境濕度、管線接頭、采樣閥及測量流量對測量結(jié)果都有影響，所以一般在室溫15～28℃，濕度40%～70%的潔凈環(huán)境下測定；選用死體積小的針閥或減壓器，管線選用內(nèi)徑1/16 in或1/8 in的內(nèi)壁內(nèi)拋光的、盡可能短、管壁無吸附的不銹鋼管；測量時(shí)氣體流量一般控制在400～1500 mL/min，具體應(yīng)結(jié)合儀器的相關(guān)參數(shù)。

2.2 氣路連接

用高純氣吹掃置換方式使微量水分儀器、減壓器、采樣管線長時(shí)間受氣體保護(hù)，保證取樣系統(tǒng)的干燥，氣路連接方式見圖1。

圖1 氣路連接方式Fig.1 Gas line connection

還有一種方法是用采樣閥直接連接樣品氣瓶，通過至少連續(xù)3次高低壓置換后連接儀器。

3 對微量水分儀的選擇

在開展微量水測試工作前，首先應(yīng)選用適當(dāng)?shù)姆治鰞x器，以達(dá)到有效的結(jié)果。

1.需了解儀器的工作原理，樣品氣是否會與儀器起化學(xué)反應(yīng)，判斷能否用來測定樣品氣體。

2.確定儀器的檢測限是否滿足測試樣品氣的要求。

3.考慮分析所需的樣品量，以防止樣品量不足而影響測試結(jié)果。

4 氣體中水含量的幾種檢測方法

4.1 電容法

電容法是傳感器的介電常數(shù)隨著濕敏層對水的吸收或解吸的變化來測量氣體的相對濕度［1］。氧化鋁電容法是利用沉積在導(dǎo)電基體上的孔狀氧化鋁薄膜與涂在其表面的一層薄金形成電容器的電極。氣體中的水分透過金薄層被氧化鋁吸收，電容器的阻抗與水汽分壓成一定的比例。薄膜電容法是通過沉積在兩個(gè)導(dǎo)電電極上的薄膜吸水或失水后，改變兩個(gè)電極間的介電常數(shù)來測量水含量。電容法對水有高度的選擇性，并具有響應(yīng)快、量程廣、靈敏度高的特點(diǎn)。同時(shí)電容法屬于間接測量方法，消耗樣品氣量大，受腐蝕性氣體的影響，須定期校準(zhǔn)。

4.2 壓電法

壓電法是利用涂有一種吸濕性物質(zhì)的石英晶體吸收不同質(zhì)量水分時(shí)振動頻率有差異的特點(diǎn)［1］，讓樣氣和標(biāo)準(zhǔn)干燥氣流經(jīng)該晶體，因而產(chǎn)生不同的振動頻率差Δf1和Δf2，計(jì)算兩頻率之差即可得到樣氣的濕度。此方法屬絕對測量法，穩(wěn)定，不漂移，適合在線氣體的連續(xù)測定。但在測試低濕度時(shí)響應(yīng)慢，受氣體流量影響，不能用于腐蝕氣體的測試。

4.3 光腔衰蕩光譜法

光腔衰蕩光譜法是通過一束單波長激光通入光腔后，光束在腔鏡之間來回反射。當(dāng)切斷光源后，其能量就會隨時(shí)間而衰減，衰減的速度與光腔自身的損耗（包括透射、散射）和腔內(nèi)被測組分（介質(zhì)）的吸收有關(guān)。對于給定的光腔，其自身的損耗為常量。光能量衰減的速度與被測組分的含量有關(guān)。

4.4 其它的幾種測量水分的方法

4.4.1 露點(diǎn)法[3]

樣品氣體在恒壓下均勻降溫時(shí)，氣體及氣體中水分的分壓保持不變，當(dāng)氣體中的水分到達(dá)飽和狀態(tài)下的溫度就是氣體的露點(diǎn)。露點(diǎn)儀的測量精度高，但需精確度高的溫控系統(tǒng)及光潔度好的鏡面。

4.4.2 電解法[4]

樣品氣連續(xù)進(jìn)樣流過一個(gè)結(jié)構(gòu)特殊的電解池，電解池中的吸濕劑五氧化二磷層吸收水分，將其電解為氧氣和氫氣放出后，五氧化二磷得以再生。

4.4.3 重量法[5]

讓所測樣品氣流經(jīng)干燥劑，其所含水分被該干燥劑吸收，稱取干燥劑吸收的水分重量，與樣品氣體積之比就是樣品氣的濕度。表1為檢測水含量的幾種儀器的性能指標(biāo)。

表1 儀器性能指標(biāo)一覽表Table 1 List of instrument performance indicators

5 實(shí)驗(yàn)部分

5.1 氧化鋁電容法

5.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和材料

英國肖氏SHAW露點(diǎn)儀；六氟化硫氣體。

5.1.2 實(shí)驗(yàn)方法

用六氟化硫?qū)Σ蓸庸苈愤M(jìn)行充分吹掃置換。將氣路系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定為流速1 L/min，溫度25℃，濕度60%。分別對三瓶六氟化硫進(jìn)樣，平行測量三次數(shù)據(jù)分析得到結(jié)果，如表2。

表2 99.99%SF6氣體的含水量 單位：10－6Table 2 Moisture content of 99.99%SF6gas

5.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，采用SHAW露點(diǎn)儀相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于3%，儀器重復(fù)性良好，精密度高。

5.2 薄膜電容法

5.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

DPT-600露點(diǎn)儀。

5.2.2 實(shí)驗(yàn)材料

四氟化碳，三氟甲烷。

5.2.3 實(shí)驗(yàn)方法

表3 99.999%CF4氣體的含水量 單位：10－6Table 3 Moisture content of 99.999%CF4

表4 99.999%CHF3氣體的含水量 單位：10－6Table 4 Moisture content of 99.999%CHF3

用樣品對采樣管路進(jìn)行充分吹掃置換。將氣路系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定為流速1 L/min，溫度25℃，濕度60%。分別測量四氟化碳及三氟甲烷中的含水量，三次平行實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)計(jì)算其平均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差分析結(jié)果如表3、4。

5.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從表中數(shù)據(jù)可知，采用DPT-600露點(diǎn)儀相對標(biāo)準(zhǔn)偏差＜3%，測試結(jié)果精密度高，適合成品的監(jiān)測。

5.3 壓電法

5.3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

美國AMETEK公司的5830微量水分儀。其原理是石英晶體振動頻率法，屬于壓電法中的一種。

5.3.2 實(shí)驗(yàn)材料

在線99.9999%氦氣，瓶裝99.9999%氮?dú)?，瓶裝99.999%六氟乙烷。

5.3.3 實(shí)驗(yàn)方法

用樣品對采樣管路進(jìn)行充分吹掃置換。溫度25℃，濕度60%，取樣壓力：25 psig。儀器需定期進(jìn)行調(diào)零及校正，測量前，由于不同的氣體校正因子不同，應(yīng)在儀器樣品設(shè)置欄目中選擇要測試的樣品種類。儀器穩(wěn)定時(shí)，讀取氣體中水分含量的體積分?jǐn)?shù)。每隔30 min讀數(shù)一次，連續(xù)讀三次，在線測試99.9999%氦氣，測試瓶裝高純氣體的含水量，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表5～7。

表5 在線測超純He氣體的水含量 單位：10－6Table 5 Moisture content onlinemeasurement of ultra pure He

表6 瓶裝超純N2氣體的含水量 單位：10－6Table 6 Moisture content of bottled ultra pure N2

表7 瓶裝C2F6氣體的含水量 單位：10－6Table 7 Moisture content of bottled ultra pure C2F6

5.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，采用該儀器測量超純氣中的微量水，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于＜3%，精密度高，適合高純氣及超純氣的生產(chǎn)在線及成品的監(jiān)測。

5.4 光腔衰蕩光譜法

5.4.1 實(shí)驗(yàn)儀器

Tigeroptics HALO-H2O-LP。

5.4.2 實(shí)驗(yàn)材料

在線 氨氣 （99.99999%），瓶 裝 氨 氣（99.99999%）。

5.4.3 實(shí)驗(yàn)方法

表8 超純NH3中水含量在線測定 單位：10－9Table 8 Moisture content onlinemeasurement of ultra pure NH3

表9 T罐中超純NH3含水量的測定 單位：10－9Table 9 Moisture content of ultra pure NH3in T tank

用樣品對采樣管路進(jìn)行充分吹掃置換。將氣路系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定為流速1 L/min，溫度25℃，濕度60%。我們使用該儀器在線測試超純氨氣（99.99999%）及瓶裝氣體的含水量，儀器穩(wěn)定時(shí)，讀取氣體中水分含量的體積分?jǐn)?shù)。每隔30 min讀數(shù)一次，連續(xù)讀三次，其結(jié)果見表8、9。

5.4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從表中可看出，采用該儀器分析超純氨中的水分含量，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2%，準(zhǔn)確度高，適合痕量水的測試，能滿足超純氨生產(chǎn)在線及成品的監(jiān)測。

6 結(jié) 語

通過多次實(shí)驗(yàn)用電解法、電容法、壓電晶體法及光腔衰蕩光譜法測量高純氣體中微量水分，它們具有高靈敏度，高準(zhǔn)確度和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，用于測量規(guī)?；a(chǎn)的高純四氟化碳（CF4）、六氟乙烷（C2F6）、三氟甲烷（CHF3）、高純甲烷（CH4）及超純氫（H2）、氮?dú)猓∟2）、氦氣（He）、超純氨（NH3）等電子氣體中的微量水含量，效果良好，能滿足產(chǎn)品生產(chǎn)監(jiān)測。

［1］張巨東.在線露點(diǎn)分析儀在管輸天然氣中的應(yīng)用［J］.新疆石油天然氣，2008，4（3）：83-87.

［2］GB/T 5832.1—2003氣體濕度的測定第1部分電解法［S］.

［3］GB/T 5832.2—2008氣體中微量水分的測定第2部分露點(diǎn)法［S］.

［4］張鳳利.氣體中微量水分析方法概述［J］.低溫與特氣，2010，28（6）：8-10.

Brief Introduction of High-Purity Gas Analysis of Trace W ater

YE Xiangping
（Foshan Huate Gas Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan 528244，China）

Described the analysis of sulfurhexafluoride and carbontetrafluoride with capacitancemethod，analysis of ultrapure gases with piezoelectric crystal，cavity ring-down spectroscopy method for the determination of trace water content in the ultra-pure ammonia in the production of chemical.It is found these threemethods feasible to analyze the water content of the high purity gas in the experiment and work，tomeet the needs of the production monitoring.

trace water；capacitancemethod；piezoelectricmethod；optical cavity ring-down spectroscopy

TQ117

A

1007-7804（2014）03-0033-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2014.03.010

葉相平（1981），男，佛山市華特氣體有限公司氣體質(zhì)量分析研究方向。

2013-06-09