DELTA-F庫侖式微量氧分析儀取樣管線改造

李亞娜，張永鳳，楊紅燕，盧菊花，王桃萍

(昆明冶研新材料股份有限公司 云南省光電子硅材料制備技術(shù)企業(yè)重點實驗室，云南 曲靖 655000)

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DELTA-F庫侖式微量氧分析儀取樣管線改造

李亞娜，張永鳳，楊紅燕，盧菊花，王桃萍

(昆明冶研新材料股份有限公司 云南省光電子硅材料制備技術(shù)企業(yè)重點實驗室，云南 曲靖 655000)

摘要:介紹了DELTA-F庫侖式微量氧分析儀的分析原理、結(jié)構(gòu)特點及其在多晶硅生產(chǎn)中的應(yīng)用情況。通過對取樣管線的改進(jìn)，解決了測量中存在的問題，更好的滿足了生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞:DELTA-F微量氧分析儀；管線改造

在多晶硅生產(chǎn)工藝中，高純氮氣與氫氣作為重要的生產(chǎn)物料貫穿整個生產(chǎn)過程，氣體中的氧含量直接影響多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量[1-5]。因此氣體中微量氧的測定在整個生產(chǎn)工藝中起著舉足輕重的作用。要對氣體中氧含量精確檢測，得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，就必須要求一種技術(shù)先進(jìn)、功能較完善、適用范圍寬廣，同時能夠完成高精度測量的氧分析儀器，庫侖電解式氧分析儀就是一種比較理想的首選儀器。美國DELTA-F公司氧分析儀系列正是這類產(chǎn)品中最為經(jīng)典的應(yīng)用[6]。而在儀器的具體使用過程中，由于取樣管線的問題，使得分析效率低，通過對取樣管線的改造，成功解決了這一問題，更好的滿足了生產(chǎn)需求。

1儀器測量原理

該系列儀器是基于庫侖法原理。樣品氣進(jìn)入陰極室內(nèi)，通過擴散膜氧聚集在陰極上，氧在陰極經(jīng)電子化學(xué)池被還原，電解液內(nèi)含有KOH，幫助氫氧根離子(OH-)向陽極移動；在陽極氫氧根離子被氧化成氧元素。在氧池電極上加約1.3V(DC)的電壓，是氧化還原反應(yīng)的主要動力，采用放大電子電路可準(zhǔn)確測量樣品氣中氧濃度相對應(yīng)的等效電解電流，在儀表顯示盤上顯示出氧含量。其電極反應(yīng)如下：

陰極(樣氣入口，碳合金)：O2+2H2O+4e-→4OH-陽極(樣氣出口，鉑絲金子)：4OH-→O2+2H2O+4e-

O2分子從樣氣入口進(jìn)，樣氣出口出，在陰極、陽極上沒有任何消耗，電解液沒有變化，這樣儀器的原電子使用壽命達(dá)到25 a以上。零點漂移也很微小，不需經(jīng)常校準(zhǔn)。當(dāng)極性電壓被關(guān)掉后，O2分子的氧化還原反應(yīng)也將終止。氧傳感器的工作原理及配置參見圖1。

圖1　氧傳感器的工作原理及配置

2應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及解決方法

DELTA-F微量氧分析儀的實際檢測范圍為50×10-12～30%(>30%不適用)，工藝要求高純氮氣和高純氫氣的氧含量需<1×10-6，則該儀器完全滿足工藝要求。但在實際使用過程中出現(xiàn)儀器反應(yīng)較慢，測量效率低，有時測量一個點需要4～6 h，無法滿足生產(chǎn)需求。

根據(jù)儀器特征，在經(jīng)過反復(fù)研究后，排除儀器操作和閥件等諸多因素后，最終把問題確定在取樣系統(tǒng)上。

2.1取樣管線長度

經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)取樣管線過長會增加氣體的輸送時間，造成儀器反應(yīng)過程較長，而且空氣中的氧分子會附著在管壁內(nèi)，如果吹掃不完全的話，極易帶入氧氣，從而增加測量時間，且會對儀器傳感器造成損傷。應(yīng)根據(jù)取樣條件，最大限度縮短取樣管線。

2.2取樣系統(tǒng)

過于復(fù)雜的取樣系統(tǒng)會導(dǎo)致測量時系統(tǒng)內(nèi)待測氣體死體積過多，使得系統(tǒng)中附著的氧分子不易被吹掃出來，從而在實際測量中帶入過多的氧，影響測量效率和結(jié)果準(zhǔn)確性。因此，對取樣系統(tǒng)進(jìn)行簡化，盡量減少連接器件、球閥、中間接頭、變徑接頭等，以減少氣路死角和泄漏的可能性。

2.3取樣管線材質(zhì)

配管內(nèi)壁應(yīng)光滑潔凈，必要時可做拋光處理，防止樣品管路系統(tǒng)對微量氧分的吸收和解析效應(yīng)。儀器廠家標(biāo)配PTFE材質(zhì)的管線，詳細(xì)查找相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)：PTFE管線內(nèi)徑較大，內(nèi)壁光滑度不夠，氧分子極易附著和沉積在管線內(nèi)壁，使得測量時不斷的帶入氧分子，造成測量時間過長，測量結(jié)果偏高。將取樣管線更換為1/8 in(注：1 in=25.4 mm)內(nèi)壁拋光的不銹鋼材質(zhì)后(見圖2)，解決了這一問題，同時儀器的響應(yīng)時間大大縮短。

圖2　改造前后管路變化對比

3改進(jìn)后儀器的運行情況分析

在縮短了取樣管線的長度、簡化了取樣系統(tǒng)、將PTFE管線更換為不銹鋼管線后，儀器運行情況良好，大大減少了測量時間(見表1)，減少了操作人員的勞動量，保證了儀器的分析準(zhǔn)確性并延長了使用壽命，最終降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟效益。

表1　改造前后測量標(biāo)準(zhǔn)氣體的時間和結(jié)果對照

注：1)標(biāo)準(zhǔn)氣體為梅塞爾公司生產(chǎn)。

4結(jié)論

隨著多晶硅生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，對高純氫氣高純氮氣中氧含量的要求越來越高，相應(yīng)地對微量氧分析儀的測量精度、測量效率、可靠性和智能化要求也越來越高。本次通過對DELTA-F庫侖式微量氧分析儀取樣管線的改造，很大程度上提升了該儀器的分析效率，降低了儀器的使用成本和分析人員的勞動強度，從而更好的滿足了生產(chǎn)需求。

參考文獻(xiàn)：

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[6] 郭健，高偉霞. △F氧分析儀在微量氧分析中的應(yīng)用[J]. 儀器及應(yīng)用，2005, 25(5): 36-37.

李亞娜(1986)，女，漢族，云南宜良人。昆明冶研新材料股份有限公司助理工程師。

Transformation of Sampling Pipeline of Delta-F Coulomb Micro Oxygen Analyzer

LI Yana, ZHANG Yongfeng, YANG Hongyan, LU Juhua, WANG Taoping

(Key Lab of Yunnan Province Optoelectronic Silicon Materials Preparation Technology Enterprises, Kunming Yeyan New-Materials Co., Ltd., Qujing 655000, China)

Abstract:This paper introduced the principle and the structure of the DELTA-F coulomb micro oxygen analyzer, and the application in the production of polycrystalline silicon. The problems in the measurement were solved by improving the sampling pipeline. The improved instrument can better meet the needs of production.

Key words:DELTA-F coulomb micro oxygen analyzer; transformation of sampling pipeline

作者簡介：

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.02.013

中圖分類號：TQ117

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C

文章編號：1007-7804(2016)02-0046-03

收稿日期：2016-02-22