DELTA-F库仑式微量氧分析仪取样管线改造

李亚娜，张永凤，杨红燕，卢菊花，王桃萍

(昆明冶研新材料股份有限公司 云南省光电子硅材料制备技术企业重点实验室，云南 曲靖 655000)



DELTA-F库仑式微量氧分析仪取样管线改造

李亚娜，张永凤，杨红燕，卢菊花，王桃萍

(昆明冶研新材料股份有限公司 云南省光电子硅材料制备技术企业重点实验室，云南 曲靖 655000)

摘要:介绍了DELTA-F库仑式微量氧分析仪的分析原理、结构特点及其在多晶硅生产中的应用情况。通过对取样管线的改进，解决了测量中存在的问题，更好的满足了生产需求。

关键词:DELTA-F微量氧分析仪；管线改造

在多晶硅生产工艺中，高纯氮气与氢气作为重要的生产物料贯穿整个生产过程，气体中的氧含量直接影响多晶硅产品质量[1-5]。因此气体中微量氧的测定在整个生产工艺中起着举足轻重的作用。要对气体中氧含量精确检测，得到准确的数据，就必须要求一种技术先进、功能较完善、适用范围宽广，同时能够完成高精度测量的氧分析仪器，库仑电解式氧分析仪就是一种比较理想的首选仪器。美国DELTA-F公司氧分析仪系列正是这类产品中最为经典的应用[6]。而在仪器的具体使用过程中，由于取样管线的问题，使得分析效率低，通过对取样管线的改造，成功解决了这一问题，更好的满足了生产需求。

1仪器测量原理

该系列仪器是基于库仑法原理。样品气进入阴极室内，通过扩散膜氧聚集在阴极上，氧在阴极经电子化学池被还原，电解液内含有KOH，帮助氢氧根离子(OH-)向阳极移动；在阳极氢氧根离子被氧化成氧元素。在氧池电极上加约1.3V(DC)的电压，是氧化还原反应的主要动力，采用放大电子电路可准确测量样品气中氧浓度相对应的等效电解电流，在仪表显示盘上显示出氧含量。其电极反应如下：

阴极(样气入口，碳合金)：O2+2H2O+4e-→4OH-阳极(样气出口，铂丝金子)：4OH-→O2+2H2O+4e-

O2分子从样气入口进，样气出口出，在阴极、阳极上没有任何消耗，电解液没有变化，这样仪器的原电子使用寿命达到25 a以上。零点漂移也很微小，不需经常校准。当极性电压被关掉后，O2分子的氧化还原反应也将终止。氧传感器的工作原理及配置参见图1。

图1　氧传感器的工作原理及配置

2应用中出现的问题及解决方法

DELTA-F微量氧分析仪的实际检测范围为50×10-12～30%(>30%不适用)，工艺要求高纯氮气和高纯氢气的氧含量需<1×10-6，则该仪器完全满足工艺要求。但在实际使用过程中出现仪器反应较慢，测量效率低，有时测量一个点需要4～6 h，无法满足生产需求。

根据仪器特征，在经过反复研究后，排除仪器操作和阀件等诸多因素后，最终把问题确定在取样系统上。

2.1取样管线长度

经过多次试验发现取样管线过长会增加气体的输送时间，造成仪器反应过程较长，而且空气中的氧分子会附着在管壁内，如果吹扫不完全的话，极易带入氧气，从而增加测量时间，且会对仪器传感器造成损伤。应根据取样条件，最大限度缩短取样管线。

2.2取样系统

过于复杂的取样系统会导致测量时系统内待测气体死体积过多，使得系统中附着的氧分子不易被吹扫出来，从而在实际测量中带入过多的氧，影响测量效率和结果准确性。因此，对取样系统进行简化，尽量减少连接器件、球阀、中间接头、变径接头等，以减少气路死角和泄漏的可能性。

2.3取样管线材质

配管内壁应光滑洁净，必要时可做抛光处理，防止样品管路系统对微量氧分的吸收和解析效应。仪器厂家标配PTFE材质的管线，详细查找相关资料后发现：PTFE管线内径较大，内壁光滑度不够，氧分子极易附着和沉积在管线内壁，使得测量时不断的带入氧分子，造成测量时间过长，测量结果偏高。将取样管线更换为1/8 in(注：1 in=25.4 mm)内壁抛光的不锈钢材质后(见图2)，解决了这一问题，同时仪器的响应时间大大缩短。

图2　改造前后管路变化对比

3改进后仪器的运行情况分析

在缩短了取样管线的长度、简化了取样系统、将PTFE管线更换为不锈钢管线后，仪器运行情况良好，大大减少了测量时间(见表1)，减少了操作人员的劳动量，保证了仪器的分析准确性并延长了使用寿命，最终降低了生产成本，提高了经济效益。

表1　改造前后测量标准气体的时间和结果对照

注：1)标准气体为梅塞尔公司生产。

4结论

随着多晶硅生产技术的不断发展，对高纯氢气高纯氮气中氧含量的要求越来越高，相应地对微量氧分析仪的测量精度、测量效率、可靠性和智能化要求也越来越高。本次通过对DELTA-F库仑式微量氧分析仪取样管线的改造，很大程度上提升了该仪器的分析效率，降低了仪器的使用成本和分析人员的劳动强度，从而更好的满足了生产需求。

参考文献：

[1] 邓丰，唐正林. 多晶硅生产技术[M]. 北京：化学工业出版社，2009.

[2] 刘秀琼，汪治林，邓丰. 多晶硅生产过程的质量控制[J]. 广东化工，2013, 40(7): 87-88.

[3] 董前程．影响多晶硅质量的因素[J]. 氯碱工业，2012, 48(9): 31-33．

[4] 刘寄声. 多晶硅和石英玻璃的联合制备法[M]. 北京：冶金工业出版社, 2008.

[5] 廖敏．氢气纯度对多晶硅产品质量的影响及采取的对策[J]. 四川有色金属，2010, 3(10): 24-26．

[6] 郭健，高伟霞. △F氧分析仪在微量氧分析中的应用[J]. 仪器及应用，2005, 25(5): 36-37.

李亚娜(1986)，女，汉族，云南宜良人。昆明冶研新材料股份有限公司助理工程师。

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

作者简介：

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.02.013

中图分类号：TQ117

文献标志码：C

文章编号：1007-7804(2016)02-0046-03

收稿日期：2016-02-22