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企業重點實驗室，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企業重點實驗室，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、結構特點及其在多晶硅生產中的應用情況。通過對取樣管線的改進，解決了測量中存在的問題，更好的滿足了生產需求。

關鍵詞:DELTA-F微量氧分析儀；管線改造

在多晶硅生產工藝中，高純氮氣與氫氣作為重要的生產物料貫穿整個生產過程，氣體中的氧含量直接影響多晶硅產品質量[1-5]。因此氣體中微量氧的測定在整個生產工藝中起著舉足輕重的作用。要對氣體中氧含量精確檢測，得到準確的數據，就必須要求一種技術先進、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品中最為經典的應用[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。樣品氣進入陰極室內，通過擴散膜氧聚集在陰極上，氧在陰極經電子化學池被還原，電解液內含有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，是氧化還原反應的主要動力，采用放大電子電路可準確測量樣品氣中氧濃度相對應的等效電解電流，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，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到25 a以上。零點漂移也很微小，不需經常校準。當極性電壓被關掉后，O2分子的氧化還原反應也將終止。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應用中出現的問題及解決方法

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儀器反應較慢，測量效率低，有時測量一個點需要4～6 h，無法滿足生產需求。

根據儀器特征，在經過反復研究后，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上。

2.1取樣管線長度

經過多次試驗發現取樣管線過長會增加氣體的輸送時間，造成儀器反應過程較長，而且空氣中的氧分子會附著在管壁內，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。應根據取樣條件，最大限度縮短取樣管線。

2.2取樣系統

過于復雜的取樣系統會導致測量時系統內待測氣體死體積過多，使得系統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，影響測量效率和結果準確性。因此，對取樣系統進行簡化，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

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

圖2　改造前后管路變化對比

3改進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、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確性并延長了使用壽命，最終降低了生產成本，提高了經濟效益。

表1　改造前后測量標準氣體的時間和結果對照

注：1)標準氣體為梅塞爾公司生產。

4結論

隨著多晶硅生產技術的不斷發展，對高純氫氣高純氮氣中氧含量的要求越來越高，相應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需求。

參考文獻：

[1] 鄧豐，唐正林. 多晶硅生產技術[M]. 北京：化學工業出版社，2009.

[2] 劉秀瓊，汪治林，鄧豐. 多晶硅生產過程的質量控制[J]. 廣東化工，2013, 40(7): 87-88.

[3] 董前程．影響多晶硅質量的因素[J]. 氯堿工業，2012, 48(9): 31-33．

[4] 劉寄聲. 多晶硅和石英玻璃的聯合制備法[M]. 北京：冶金工業出版社, 2008.

[5] 廖敏．氫氣純度對多晶硅產品質量的影響及采取的對策[J]. 四川有色金屬，2010, 3(10): 24-26．

[6] 郭健，高偉霞. △F氧分析儀在微量氧分析中的應用[J]. 儀器及應用，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

文獻標志碼：C

文章編號：1007-7804(2016)02-0046-03

收稿日期：2016-02-22