專利名稱：用離子淌度光譜測定法測定氧氣中一氧化碳和碳氫化合物總濃度的方法
技術領域：
本發明涉及一種用離子淌度光譜測定法來測定氧氣中一氧化碳和碳氫化合物總濃度的方法。
氧氣作為反應氣體廣泛地用在集成電路工業中，以便形成氧化層，通常在電路不同的活性部分之間起到電氣絕緣的作用。如眾所周知，在制造這些器件中，采用的所有材料純度至關重要；事實上，在反應物或反應環境中可能存在的污染物會混入固態器件內，因而改變這些器件的電氣性能，而導致生產廢品。在制造過程中所用氣體的純度標準隨不同的制造廠商會有所改變，并根據具體工藝在當中使用氣體。通常當氣體中雜質含量不超過10ppb(十億分率，即每109總氣體分子中的雜質分子)，氣體供制造目的被認為是可以接受的；最好雜質含量低于1ppb，這樣用精確可重復的方式測出氣體中雜質極低濃度的可能性變得十分重要。
為此目的，開發出的一種技術是離子淌度光譜測定法，這種方法在該領域中縮寫為IMS；所述縮寫詞還用于完成這項技術的儀器上，這時表示為“離子淌度分光儀”。這項技術的重要意義是來自與儀器有限的尺寸和成本相關聯的超高靈敏度；通過在合適條件下的操作，有可能檢測出氣體介質中氣相或汽相中的微微克數量級(Pg，即10-12g)或百億分率級(ppt，相當于每1012分子分析的物質試樣氣體中一個分子)濃度的物質。例如在轉讓予美國公司PCP Inc.的美國專利5,457,316和5,955,886中公開了所采用的IMS儀器和分析方法。
本技術的物理化學原由正象IMS整理分析結果那樣非常復雜。有關這些原由和結果的說明可以參考1999年CRC出版社，G.A.Eiceman和Z.Karpas所著“離子淌度光譜測定法”一書。
簡單地說，IMS儀器主要由反應區、分離區和帶電粒子集極組成。
在反應區內，試樣發生電離，通常用63Ni輻射的β-放射線分析氣載體中所含氣體或蒸汽。電離主要發生在氣載體上，形成所謂的“離子反應物”，而后所帶電荷根據其電子或質子的親合力或其電離勢分布到所存在的物質上。
反應區與分離區用柵極隔開，該柵極在被保持在合適電勢情況下可防止反應區產生的離子進入分離區。在到取消柵極電勢時刻，形成“計時起點”分析，這樣使離子能夠進入分離區。
分離區包括一系列電極，這些電極產生這樣的電場，使得離子從柵極朝向集極傳送。在該區，保持在大氣壓力下，存在的氣流相對于離子的一個運動有著相反的方向。逆流氣體(在電場中定義為“漂移氣體”)是超純氣體，這種氣體或是對應于雜質含量必須確定的氣體，或是一種不同的氣體。離子運動的速度取決于電場和氣體介質中同樣離子的截面，這樣使不同的離子需不同的時間越過分離區且到達粒子集極。粒子集極上由“計時起點”至“到達時間”經過的時間叫做“飛行時間”。集極連接至信號處理系統，該系統把所檢測到的與時間成函數的電流值轉化成最終曲線圖，圖中所示與不同離子相對應的峰值是以“飛行時間”的函數來表示；從測定該時間和了解試驗條件中有可能查出存在分析對象的物質，而從峰值區中有可能通過合適的計算算法算出相應物質的濃度。
在大多數常用模式中，對具有正電荷的物質進行IMS分析。就氧氣來說，相反，在反應區還會形成負電物質。在這種條件下(負電模式)，用IMS分析只能檢測電子親合力高于氧的物質，然后才能接受從該氣體來的電荷，這主要發生在二氧化碳CO2的情況下。所以氧氣中雜質的分析受到限制。在氧氣中的濃度對測量有影響的物質中，有例如一氧化碳CO和碳氫化合物，在該化合物中特別是甲烷CH4。
本發明的一個目的是提供一種用離子淌度光譜測定法來測定氧氣中CO和碳氫化合物總濃度的方法。
根據本發明，達到所述目的可通過包括以下工序的方法a)把氧氣流中存在的一氧化碳和碳氫化合物轉化成二氧化碳；
b)按照a)項轉化后，測定氧氣中二氧化碳的濃度；和c)根據工序b)的測定來獲得一氧化碳和碳氫化合物的總初始濃度。
根據本發明第二實施例，所述方法用于已在最初含有二氧化碳作為雜質的氧氣情況下(這種情況可通過初步指示試驗確定，該項試驗在氧氣上進行，不用預先使所述物質受到CO和碳氫化合物的轉化工序)。既然是這樣，在IMS分析中，獲得的濃度值將與原始存在的CO2總數和來自CO與碳氫化合物轉化的總數相一致。在這種情況下，所采用的本發明變換方法包括以下工序a)把氧氣流中存在的一氧化碳和碳氫化合物轉化成二氧化碳；b)按照a)項轉化后，測定氧氣流中二氧化碳的濃度；b’)對沒有受到根據a)項的轉化工序的氧氣流中二氧化碳濃度進一步進行測定；c)根據工序b)和b’)中測定的二氧化碳濃度相比較獲得一氧化碳和碳氫化合物的初始濃度。
唯一的圖形簡略示出實際進行本發明方法的系統，參照該圖對本按照本發明的方法，在氧氣中用標準的IMS分析不能檢測的CO和碳氫化合物這種物質可定量地轉化成二氧化碳CO2，而CO2相反在這種分析中卻是可測物質。
可用
圖1示意所示氣體處理系統把本發明的方法付諸實踐、系統10包括檢驗的氣體進氣管線11；沿著管線11布置系統12，以便把CO和碳氫化合物轉化為CO2；系統10進一步包括在系統12的上游和下游，兩個三通閥V1和V2，該閥可使系統12與氣流隔離，使氣流沿第二管線11’偏離。在系統12或管線11’下游設置IMS分析儀13；該儀器包括反應區14，該區通過柵極16同分離區15隔開；在與區14相對的區15末端布置有粒子集極17(象“漂移氣體”)的進、出氣口一樣沒有進一步示出細節)；集極電氣連接至單元18，它包括電子部分和計算部分(例如微處理機)，電子部分可把從集極17來的電脈沖轉化成數字數據；計算部分則用于處理這些數據；單元18可以實際地與IMS儀器結合成一體；最后，單元18作為分析結果產生光譜19，其中記錄的峰值與所檢測到的與儀器13中它們飛行時間成函數的不同化學物質相對應。
在本發明方法的第一實施例中，整個進入系統10的氧氣流，通過適當地操作閥V1和V2送到轉化系統12，對CO和碳氫化合物進行轉化，并這樣把處理過的氣體送到IMS分析儀13，以便進行分析。
在本發明方法的第二實施例中，如同第一實施例情況那樣進行工序b)，而進行工序b’)則把進入系統10的整個氧氣流通過管線11’送到分析儀13，還在這種情況下，適當地操作閥V1和V2，把系統12隔離。
把CO和碳氫化合物轉化成CO2的系統12包括至少一種氧化催化劑化合物；對這種化合物連續再生有利的是CO和碳氫化合物以微量存在于幾乎完全由氧組成的氣氛中。對于這種轉化有用的催化劑化合物例如是某些貴金屬氧化物，象釕、銠、鈀和鉑；在這些貴金屬氧化物中，氧化鈀PdO最可取。PdO的最佳工作溫度在約200與約350℃之間。鈀氧化物，乃至全套用于轉化含有這種化合物的CO和碳氫化合物的系統均從市場上可以買到，例如由申請人德國公司Degussa-Hüls AG以及美國公司Engelhard Co.所銷售。
權利要求
1.一種用離子淌度光譜測定法測量氧氣中一氧化碳和碳氫化合物濃度的方法，包括以下工序a)把氧氣流中存在的一氧化碳和碳氫化合物轉化成二氧化碳；b)在a)項轉化后，測量氧氣中二氧化碳的濃度；和c)根據工序b)的測量獲得一氧化碳和碳氫化合物的總初始濃度。
2.按照權利要求1所述的方法，進一步包括工序b’)，該工序在于對沒有受到轉化工序a)作用的氧氣流中的二氧化碳濃度進一步進行測量；而其中工序c)是通過比較工序b)和b’)中測出的二氧化碳濃度而進行的。
3.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，利用用于氣體處理的系統(10)，通過適當地操作兩個布置在所述轉化系統上游和下游的三通閥(V1；V2)而把整個進入所述處理系統的氣體流送到用于轉化一氧化碳和碳氫化合物的所述系統來進行工序a)；所述系統(10)包括用于檢驗的氣體的進氣管線(11)，用于一氧化碳和碳氫化合物轉化的系統(12)，IMS分析儀(13)和檢測與數據處理單元(18)。
4.按照權利要求2所述的方法，其特征在于，利用氣體處理系統(10)，通過適當地操作兩個布置在所述轉化系統上游和下游的三通閥(V1；V2)而把整個進入所述處理系統的氣體流，經過第二管線(11’)送到分析儀且避免穿過所述用于轉化一氧化碳和碳氫化合物的系統來進行工序b’)，所述系統(10)包括用于檢驗的氣體的進氣管線(11)，用于一氧化碳和碳氫化合物轉化的系統(12)，IMS分析儀(13)和檢測與數據處理單元(18)。
5.按照權利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述一氧化碳和碳氫化合物的轉化系統包括至少一種催化劑化合物，它在碳氫化合物氧化中激活且選自貴金屬氧化物。
6.按照權利要求5所述的方法，其特征在于，所述化合物是氧化鈀。
7.按照權利要求6所述的方法，其特征在于，在工序b)過程中，氧化鈀保持在200和350℃之間的溫度。
全文摘要
公開一種用離子淌度光譜測定法來定量分析氧氣中一氧化碳，甲烷和較高碳氫化合物含量的方法，這種方法在于把氧氣流中存在的這些物質轉化成二氧化碳，測定后者這一氣體的濃度，并根據這種測定獲得氧化物質的初始濃度。
文檔編號G01N27/62GK1462369SQ02801564
公開日2003年12月17日 申請日期2002年4月23日 優先權日2001年5月7日
發明者盧卡·普斯特拉, 馬克·蘇斯 申請人:工程吸氣公司