KR100339448B1 - 가스 내의 수분 함량 측정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

에너지 입력에 대한 물리적인 응답을 발생할 수 있고 수분을 흡수할 수 있는 수산화 금속으로 피복된 적어도 하나의 표면을 갖는 감지 장치를 포함하는, 가스 내의 수분 농도를 측정하기 위한 장치가 제공된다. 수산화 금속은 감지 장치 표면 상에 피복된 금속으로부터 생성된다.

Description

가스 내의 수분 함량 측정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING MOISTURE CONTENT IN A GAS}

발명의 배경

1. 발명의 기술 분야

본 발명의 기류(gas stream) 내의 수분 불순물을 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 금속으로부터 생성되고 수분을 흡수하는 수산화 금속으로 피복된 감지 장치로 수분 불순물을 감지하기 위한 방법에 관한 것이다.

2. 종래 기술의 설명

현재, 제약 및 반도체 산업과 같은 분야에서 초고순도 기류가 화학 반응에 사용되고 있다. 가스는 흔히 유독성이고 불필요한 부수적인 반응의 가능성을 감소시키도록 저압 하에서 수행되기 때문에, 이들 화학 작용들은 통상 순도를 유지하도록 밀봉된 용기 내에서 수행된다. 필요한 가스 순도를 유지하고 가스로부터 불순물을 제거하기 위하여, 가스는 반응 챔버 내에 도입되기 앞서 처리된다. 가스 내의 수분과 같은 불순물과 상호 작용하는 수지 입자(resin particle)의 베드(bed)를 통해 가스를 통과시키는 것이 일반적인 방법이다. 시간이 경과되면, 불순물과 상호 작용하는 수지 입자 베드의 수용력은 수지 베드로부터 불순물이 통과되어 불순물이 반응 지역에 진입하는 정도까지 감소된다. 수지 수용력의 바람직하지 않은 감소가 발생하는 시점을 예측하는 것은 어렵기 때문에, 독립적인 감시 수단이 없는 경우에는 수지를 너무 이르게 또는 늦게 제거하기 쉽다. 수지의 너무 이른 제거는 반응 재료에 대한 비용 손실을 초래한다. 부가적으로, 가스 순도 수준의 연속적인 감시와 가스 불순물 농도의 측정을 제공하기 위한 수단을 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 특히 가스의 최종 사용 지점 부근에서 인-라인(in-line) 수분 검출 적용 분야에 유용한 수분 센서를 제공하는 것이 바람직하다. 현재 사용 가능한 수분 감시기는 실질적으로 크기를 증가시키고 가스의 최종 사용 지점 부근의 배치를 어렵게 하는 가열기, 수분 공급원 또는 가스 정화기 등과 같은 보조 장치를 요구한다.

현재, 가스 내의 수분 함량을 측정하는 다양한 감지 장치가 사용되고 있다. 이들 감지 장치들은 칠드 미러 습도계(chilled mirror hygrometer)와, 분광측광식(spectrophotometric), 탄성표면파(surface acoustical wave, SAW) 장치를 포함하는 압전식, 색온도식, 전해식 및 용량성 장치를 포함한다. 이들 장치들은 흡수 또는 화학 흡수와 같은 수분과의 반응에 의해 수분과 상호 작용하는 화합물로 피복된다. 기류 내의 수분과의 접촉의 결과로, 질량, 전도성, 용량 등과 같은 적어도 하나의 피복 특성이 변화한다. 이러한 변화는 사전에 측정된 가스 내의 수분 농도와 측정된 피복 특성 사이의 표준 관계를 상기 피복 특성의 변화와 비교함으로써 가스 내의 수분 농도와 상호 관련될 수 있다.

미국 특허 제4,765,870호는 스퍼터링된 알루미늄 필름을 끓는 물로 수화시킴으로써 형성된 알루미늄옥시수산화물(aluminumoxihydroxide)을 포함하는 수분 감지 장치를 위한 피복을 제공할 것을 제안하였다. 수분을 감지하기 적합한 충분한 두께의 옥시수산화물을 형성하기 위하여, 바람직하지 않은 장시간의 반응과 끓는 물에 의한 가열이 요구된다.

일본 특허 제08026790호와 제05149897호는 수분 센서로서 분말 금속 산화물로부터 형성된 분말 수산화 금속의 사용을 제안하였다. 피복 방법은 금속을 감지 용기로 이송하는 것을 필요로 하는데, 이는 불편함을 초래한다. 또한, 분말은 실리콘 웨이퍼 등을 제조하는데 사용되는 청정실 제조 기술에는 사용될 수 없는 입자의 공급원이다.

소비에트 연방 특허 제1,332,225호에는 수분 센서로서 사용되도록 수산화 칼륨 및 글리세롤으로 포화되고 200℃까지 가열된 제올라이트(zeolite)의 사용을 개시하고 있다. 센서 내에 글리콜과 같은 유기 재료가 존재하는 것은 반도체 제조 환경에 적합하지 않다. 칼륨 이온은 SiO₂게이트(gate) 산화물 구조 내에서 이동 전하를 초래하여 반도체 장치 성능을 변화시키기 때문에, 반도체 웨이퍼 제조 공정에는 사용될 수 없다. 제올라이트 입자들의 크기가 서로 다르고 고체를 통한 균일한 포화도를 얻도록 요구되는 시간의 길이가 다르기 때문에, 재생 가능한 센서를 얻기 위하여 수산화 금속으로 제올라이트를 포화시키는 것은 어렵다.

일본 특허 제03269356호에는 수분 센서로서 수산화 나트륨으로 포화된 다공성 세라믹 지지체의 사용이 개시되어 있다. 염소 이온은 반도체 웨이퍼 제조 공정에 사용될 수 없고, 또한 이온 주입에 해롭다.

가역 수분 센서는 수분 감지 과정 중 소모되지 않고 가스 내에 수분이 거의 없는 상태에 대응하는 최초 상태로 복귀될 수 있다. 본 발명의 가역 센서는 본 발명의 수분 감시기에 사용되는 비교적 두꺼운 중합 피복(polymeric coating)을 포함한다. 두꺼운 피복은 짧은 시간 동안 수분과 접촉하는 것만을 필요로 한다. 그런 후, 수분에 대한 센서 응답의 기준이 되는 알려져 있는 양의 수분을 포함하는 스팬 가스(span gas)가 센서에 적용된다. 스팬 가스와 표본 추출된 가스는 공압 밸브와 밸브를 조절하는 장치를 사용하여 교환된다(미국 특허 제5,616,827호 및 제5,199,295호). 이러한 감시기를 사용하는 동안, 수분은 확산 또는 삼투(permeation) 튜브를 사용하여 기류에 첨가된다. 삼투 또는 확산 튜브는 장시간의 건조 가스 사용으로부터 센서, 보호 센서 및 하우징을 조정하도록 사용된다. 수분의 첨가는, 수분이 없는 가스가 인-라인 적용 분야에 최종 지점에 사용되도록 요구되는 경우에 바람직하지 않다. 1997년 4월, 환경 과학 연구소의 저널(Journal of The Institute of Environmental Sciences), vol. 40, no. 2의 p. 43-48에는 기류 내의 수분의 검출에 유용한 석영 기판 상에 피복된 바륨을 포함하는 감지 장치가 개시되어 있다. 사용 중 수분과의 접촉시 바륨은 수산화 바륨으로 비가역적으로 변환된다.독일 특허 공개 공보 제3818733호에는 석영 결정 미세균형-수분 센서(quartz crystal microbalance-moisture sensor)가 기재되어 있다.

따라서, 입자, 이온 또는 유기물 등으로부터의 가스 오염원이 없는 수분 센서를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 센서의 수분 감지 피복을 위해 큰 표면적 지지체를 필요로 하지 않고 제조될 수 있는 수분 센서를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 소모되지 않고 수분 가스 내에서 장기간 사용될 수 있고, 보조 장치를 필요로 하지 않고 장기간 건조한 가스 내에서도 사용될 수 있는 가역 센서를 제공하는 것이 바람직하다.

발명의 요약

본 발명은 청구항 제1항에 따른 감지 장치와 청구항 제6항에 따른 수분 함량의 측정 방법을 제공한다.본 발명은 적어도 하나의 표면이 수산화 금속 피복으로 피복된 감지 장치를 포함하는 수분 센서를 제공한다. 수산화 금속 피복은 금속 또는 금속 합금을 포함하는 금속 화합물 피복을 감지 장치 상에 1차로 적층함으로써 감지 장치 상의 제위치에 생성된다. 적층된 금속 화합물은 수분과의 반응에 의해 수산화 금속으로 변환될 수 있다. 변환된 수산화 금속 화합물 피복의 질량은 수산화물이 요구되는 사용수명 시간동안 수분을 계속 흡수할 수 있도록 충분한 크기를 갖지만, 감지 장치의 기능에 바람직하지 않은 간섭을 초래할 만큼 크지 않다.

도면의 간단한 설명

도1은 본 발명의 피복된 압전 감지 장치의 측면도이다.

도2는 압전 결정을 사용하는 본 발명의 장치의 측면도이다.

도3은 본 발명의 장치의 사용을 도시하는 개략도이다.

도4는 시간의 함수로서 가스 수분 농도와 압전 결정 주파수를 도시하는 그래프이다.

도5는 도4에 기초한 교정 곡선이다.

도6은 정화된 인화수소 가스와 정화되지 않은 인화수소 가스에 대한 센서의 응답 변화를 도시하는 그래프이다.

특정 실시예의 설명

본 발명은 수분의 존재를 감시하기 위한 감지 장치로서 피복된 압전 결정(piezoelectric crystal)에 관하여 이하에 설명될 것이다. 그러나, 압전 결정은 본 발명에 따라 피복된 경우 가스 내의 수분 농도를 측정하도록 사용될 수 있는 다른 감지 장치로 대체될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 다른 감지 장치들에는 전량분석 장치(coulometric device), 용량성 장치, 전도성 장치, 광섬유 장치 및 질량 균형체가 포함된다. 본 발명의 수산화 금속 피복은 피복된 감지 장치가 가스 내의 수분 농도를 측정할 수 있도록 감지 장치와 상호 작용한다. 수산화 금속 피복은 감지 장치의 효과적인 수단으로 변화되도록 가스로부터 수분을 흡수한다. 이러한 변화는 이어서 질량, 전도성, 전달성, 진동 주파수 또는 절연 상수 등과 같은 감지 장치에 의해 측정된 물리적 특성의 변화를 가져온다. 감지 장치로 에너지가 입력되어 에너지 출력이 측정된다. 그리고 나서, 측정된 물리적 특성은 가스 내의 수분 농도 및 측정된 물리적 특성과 상호 관련된 사전에 측정된 표준 관계와 비교된다.

2개의 판 사이에 위치된 수산화 금속 피복 및 화합물의 흡수된 수분의 함수로서 측정된 캐패시턴스(capacitance)를 갖는 캐패시터(capacitor)는 본 발명의 예 또는 감지 장치이다. 캐패시턴스는 식 1에 따라 측정된다.

여기서,

= 측정된 캐패시턴스

= 감지 매체의 캐패시턴스

= 진공 캐패시턴스

= 절연 감지 재료의 면적(cm²)

= 정전 상수 8.99×10⁹Nm²/C²

= 절연 감지 재료의 두께

얇은 수산화 금속 화합물 피복 내부로의 수분의 흡수는 화합물의 캐패시턴스를 증가시키고, 센서의 캐피시턴스의 전체적인 증가를 제공할 것이다. 캐패시턴스의 변화는 센서와 접촉하는 가스의 수분 농도에 비례한다.

본 발명의 피복된 압전 결정은 천연 석영(natural quartz), 니오브산리튬(lithium niobate), 메타니오브산납(lead metaniobate), 티탄지르콘산납(lead zirconate titanate), 폴리(비닐리덴 디플루오라이드)[poly(vinylidence difluoride)(PVDF)], 로셀염(Rochelle salt), 전기석(tourmaline), 에틸렌디아민 타르트레이트(ethylenediamine tartrate), 이칼륨 타르트레이트(dipotassium tartrate), 인산이수소암모늄(ammonium dihydrogen phosphate), 아질산바륨(barium nitrite) 등의, 바람직하게는 석영과 같은 압전 기판을 포함한다. 피복은 기판의 큰 표면들 중 하나 또는 2개의 표면 모두에 적용된다. 압전 재료의 두께 방향 전단 모드 거동은 사우어브레이(Sauerbrey) 공식을 사용하여 설명될 수 있다.

여기서,는 관찰된 주파수 변화이고,는 Hz 단위의 결정의 기본 주파수이며,은 그램 단위의 감지 표면에서의 질량 변화이고, 1 및 2를 갖는은 감지 매체로 피복된 결정의 측면의 개수이며,는 cm²단위의 적층물의 압전 활성 표면적이고,는 그램/cm³단위의 압전 결정의 밀도이며,는 그램/(sec²cm²) 단위의 압전 결정의 전단 계수이다. 상기 방정식에서 드러나는 바와 같이, 관찰된 주파수 변화는 질량 변화에 따라 선형적으로 변화하지만, 기본 주파수의 제곱으로 변화한다. 그러므로, 2.0 MHz 결정은 1.0 MHz 결정보다 4배 만큼 민감할 것이다.

본 발명의 감지 장치 상의 피복은 감지 장치의 하나 이상의 표면 상에 금속 또는 금속 합금을 1차로 적층함으로써 형성된다. 적합한 금속 또는 금속 합금은 수산화 금속 화합물을 형성하도록 물과 반응하고, 이에 따라 형성된 수산화 금속 화합물이 10억분의 1(ppb)의 낮은 농도에서 수분의 검출을 가능케 하고, 금속 또는 수산화 금속 화합물이 금속 또는 수산화 금속 화합물과 접촉하는 가스에 오염 물질을 부가하지 않는 금속 또는 금속 합금이다. 금속 또는 금속 합금은 스퍼터링, 증착, 비전착식 증착, 전해 증착 등과 같은 어떠한 종래의 수단에 의해서도 감지 장치의 표면 상에 적층될 수 있다. 금속 또는 금속 합금으로부터 생성된 수산화 금속 화합물은 물과 화학적으로 반응하지 않지만, 물에 물리 흡착된다. 금속 또는 금속 합금은 감지 장치에 악영향을 주지 않는 조건 하에서 수산화 금속 화합물을 형성하도록, 1×10^-6내지 2000 torr, 바람직하게는 1×10^-6내지 1×10^-1torr의 부분 압력과, 약 -100℃ 내지 약 200℃, 바람직하게는 약 0℃ 내지 약 35℃에서 수증기와 반응해야 한다. 적합한 대표적인 재료는 리튬, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 바륨, 이들의 혼합물, 또는 철, 니켈, 알루미늄, 금, 구리, 은 또는 이들의 합금 등과 같은 다른 재료와의 합금 등의 IA 및 IIA족 원소를 포함한다. 리튬 또는 나트륨과 같은 낮은 분자량을 갖는 금속으로부터 형성된 금속 또는 금속 합금을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 고분자량 금속을 함유하는 피복에 비해 수분 흡수에 기인한 질량 변화가 크고 검출이 보다 용이하기 때문이다. 금속 또는 금속 합금은 감지 장치가 반복 가능한 방식으로 기능하고 수산화 피복이 약 5 미크론의 두께보다 작게, 바람직하게는 약 1 내지 약 0.01 미크론 사이의 두께로 수분을 흡수하기 위한 적당한 용량을 갖도록 얇은 층으로 적층된다.

금속 화합물 피복으로부터 생성된 수산화 금속 화합물 피복은 지지체에 적용되고 나서 100℃의 온도에서 탈수되는 용액 내의 수산화 금속으로부터 형성된 수산화 금속 피복보다 낮은 수분을 갖는다. 따라서, 본 발명의 수산화 금속의 형성 방법은 수산화 금속을 갖는 다공성 고체를 포화시키는 방법에 비해 상당한 장점을 제공한다. 본 발명에서, 무수(anhydrous) 형태의 수산화물을 형성하도록 100℃를 초과하여 수산화 금속을 가열하는 것이 필요하지 않다. 본 발명에서, 수산화물을 형성하기 위한 금속 또는 금속 합금의 가수 분해 반응은 가수 분해되는 필름 내에서 다공성 구조를 생성한다. 따라서, 다공성 지지체는 필요하지 않고, 이는 센서의 제조시 장점이 된다. 또한, 수분과 상호 작용하고 센서의 전체적인 응답 속도를 지연시키는 지지체가 없기 때문에, 센서의 응답 속도의 바람직한 증가와 수분의 첨가로부터 건조 회복이 빨라지는 결과를 가져온다. 또한, 얇은 금속 피복과 달리, 본 발명의 수산화 금속 화합물 피복은 산소, 탄소이산화물 또는 수분에 의해 소비되지 않는다.

본 발명의 검출기는, 산소 또는 질소 산화물; 실란(silane)과 같은 가스를 함유하는 헬륨, 아르곤, 질소, 실리콘 등의 불화성 가스; 아신(arsine), 인화 수소, 디보레인(diborane)과 같은 도핑제(dopant); 할로카본(halocarbon) 14, 할로카본 16, 할로카본 218, 유황 헥사플루오라이드, 염소 또는 암모니아와 같은 부식액(etchant) 등의 가스를 함유하는 산소 내에서 수증기 불순물 농도를 감시하는데 유용하다.

도1을 참조하면, 본 발명의 화합물 구조는 피복(12, 14)을 형성하도록 상기 설명된 본 발명의 수산화 금속 피복 화합물로 피복된 압전 결정을 포함한다. 구리 와이어와 같은 전도성 리드 와이어(16, 22)는 결정(10)에 교류 전기 에너지를 입력하도록 기계적 수단 또는 납땜 등으로 결정(10) 전극(18, 20)에 접합된다.

도2를 참조하면, 본 발명의 장치는 하우징 플랫폼(24) 내에 포함된 금속 밀봉체(32, 34)에 유리를 경유하여 클립(36, 38)에 의해 연결된 리드 와이어에 장착된 압전 결정을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 하우징 플랫폼(24)은 금속 면 밀봉 가스킷(26)과 너트(28)에 의해 기부(30)에 대해 밀봉되어 있다. 리드 와이어(16, 22)는 활성화된 결정의 진동 주파수를 감시하고 여기시키는 전기 회로의 일부분을 형성하도록 피복(12)을 갖는 결정에 연결된다. 피복(12, 14)은 적당한 얇은 필름 적층 기술, 예를 들면 스퍼터링에 의해 적용된다. 필름에는 금속이 직접 적용되고, 그리고 나서 금속은 물과의 반응에 의해 수산화 금속으로 변환될 수 있다. DC 스퍼터링은 금속 전도체, 예를 들면 바륨 또는 마그네슘을 적층하기 위하여 가능한 방식이다. 다른 금속과의 합금, 예를 들면 바륨에 대해서는, RF 스퍼터링도 적합한 얇은 필름 적층 기술이다. 바륨을 적층하기 위한 DC 평면 전자관 스퍼터링 시스템, 예를 들면 플라스마 사이언시스 인크.(Plasma Sciences, Inc.)에 의해 제조된 300와트 DC 전원을 갖는 모델 Arc-12 평면 전자관 스퍼터링 시스템을 사용하는 공정에서, 전위는 바륨 타겟에 인가된다. 스퍼터링 공정에서, 바륨 타겟은 타겟 전방에서 풍부한 이온을 생성하면서 음극으로 자기바이어스(self-biased)될 것이다. 이온은 타겟과 충돌하고 스퍼터링이 얻어진다. 결정은 스퍼터링의 헤드의 저부로부터 1 내지 3 인치의 거리로 위치된 축받이대(pedestal) 상에 위치된다. 결정이 마스킹되어서 적층이 압전 전극의 요구되는 면적 상에서만 발생한다. 이러한 장치에 있어서 전형적인 스퍼터링 작업은 스퍼터링 가스로서 아르곤을 사용하여 50 내지 100 와트의 DC 전원과 2 내지 10 mtorr 범위의 압력에서 수행된다.

압전 결정은 피어스 진동자로서 공지된 전기 회로의 피드백 루프(feedback loop)의 구성 요소이다. 결정 내부의 기본적인 물리학적 구성은 결정에 대한 진동 전기장의 적용에 기인한 결정 내의 정상음파(standing sound wave)의 발생이다. 피어스 회로에서 결정은 결정 전극에 적용된 회로의 교류 전기장의 주파수에서 진동할 것이다. 적용된 전기장의 주파수가 발생된 정상파의 파장이 결정의 두께의 절반이 되도록 된 때, 결정은 최대 진폭으로 진동할 것이다. 이는 결정의 공명 진동 주파수(resonance oscillation frequency)이다. 결정의 표면에 적용된 피복의 두께, 밀도 또는 질량을 변화시킴으로써, 결정의 공명 주파수가 변화될 수 있다. 이러한 공명 주파수의 변화는 피복의 두께, 질량 또는 밀도가 변화함에 따른 결정 내에서의 정상파의 파장의 변화에 기인한다.

2개의 결정과 2개의 별개의 피어스 진동자 회로가 센서 결정 내의 주파수 변화를 측정하도록 사용된다. 하나의 진동자가 기준 진동자로서 사용되고, 다른 하나의 진동자가 질량 센서로서 사용된다. 2개의 진동자 회로로부터의 주파수 출력은 2개의 결정의 서로 다른 주파수를 제공하는 논리 회로로 전달된다. 이는 2가지 목적, 즉 온도 효과를 최소화하는 하나의 목적과 보다 낮은 주파수 값, 예를 들면 1,000 Hz의 주파수 차이를 발생하도록 5,000,000 Hz 기준 신호와 4,999,000 Hz 센서 신호를 제공하기 위한 다른 하나의 목적으로 역할한다.

도3을 참조하면, 본 발명의 센서 장치(8)는 하우징(2) 상에 위치되고, 가스 입구(4)와 가스 출구(6)를 포함한다. 감시되는 가스는 입구(4)를 통해 도입된다. 감시되는 가스는 출구(6)를 통과하여 화학 반응을 위한 (도시 않된) 지역으로 이동한다. 피복된 결정이 유동하는 기류 내에 직접 장착되는 장치, 또는 가스 정화기, 불순물 발생기 및 밸브가 센서의 상류에 바로 가까이 위치되는 장치를 포함하는 다른 장치 형상이 가능하다.

이하의 예는 본 발명을 도시하는 것이며 제한하고자 하는 것이 아니다.

예 1

하우징은 모두 스테인레스강인 구성 요소, 금속 면 간의 밀봉체와 금속 가스킷 밀봉 연결부 및 피복된 압전 석영 결정의 시험을 허용하도록 요구되는 경우에 구성되어 외기로부터 하우징을 밀봉하도록 입구 및 출구 격막 밸브로 구성되었다. 4.94 MHz의 기본 주파수를 갖는 AT 절삭 석영 결정은 바륨 금속이 총 30kHz로 적층되도록 각각의 측면에서 15분 동안 6 mtorr 압력, 100 와트에서 바륨 금속으로아르곤 글로브 박스(glove box) 내에서 DC 스퍼터 피복되었고, 결정의 주파수가 4.91 MHz로 감소되었다. 결정은 유리 관통부를 통해 스테인레스강 홀더 내의 한 쌍의 니켈 클립 사이에 장착되었다. 이러한 결정 홀더는 스테인레스강 하우징 내부로 삽입되었고, 금속 가스킷 밀봉체로 밀봉되었다. 하우징은 글로브 박스로부터 제거되어 스테인레스강 플랫폼 내의 니켈 클립에 연결된 리드를 통해 진동자 전기 회로를 연결하였다. 웨이퍼퓨어 미니 XL(Waferpure Mini XL) 가스 정화기로 정화되고 질소 공급원에 연결된 제1 다리부와, 질소 내에서 1.3 ppm의 수분 공급원에 연결된 제2 다리부를 갖는 유니언 티이(union tee)가 센서 하우징에 연결되었다. 정화된 수분 가스를 혼합함으로써, 질소 내에서의 ppb 수준의 수분이 준비될 수 있다. 수분의 유동은 20℃에서 24시간동안 1300 ppb의 수준에서 바륨 피복된 센서로 도입되었다. 24시간 후, 형성된 수산화 바륨 피복 센서는 24시간동안 0 ppb의 수분 수준으로 정화되었다.

건조 질소의 부피로 질소 내에서 1.3 ppm의 수분을 혼합함으로써 질소 내에서 ppb의 수분의 혼합물이 준비되어 수산화 바륨 피복 센서로 전달되었다. 도4에 도시된 바와 같이, 수산화 바륨 피복을 포함하는 감지 장치는 약 10 ppb의 낮은 수준으로 가스 내의 수분 농도를 측정할 수 있다. 도4는 또한 가스 내의 수분 함량과 압전 결정 진동 주파수 사이의 상호 관계를 도시한다.

도5는 도4에 도시된 데이터에 기초한 수산화 바륨 피복 압전 결정 감지 장치의 교정 곡선이다. 도5에 도시된 바와 같이, 수산화 바륨은 약 1 ppb의 낮은 수분을 측정할 수 있다.

예 2

장치는 정화된 가스와 질소 이외의 정화되지 않은 가스를 구별하도록 수산화 바륨 센서의 성능을 결정하기 위하여, 모두 스테인레스강인 금속 면 밀봉 구성 요소로 구성되었다. 센서는 인화수소 정화기의 최종 지점에서 수분을 검출한다.

모든 구성 요소는 예 1에서 설명된 바와 같이 건조되었다. 5 MHz 석영 압전 결정이 30 KHz의 바륨 금속으로 피복되었고, 인화 수소 가스 내에서 12 ppm의 수분에 노출됨으로써 수산화 바륨 상태로 되었다. 정화된 인화수소 가스는 밀리포어 웨이퍼퓨어 미니 XL (WPMV 200 SC) 가스 정화기를 사용하여 준비되었다.

수산화 바륨 센서는 정화된 인화수소 가스와 정화되지 않은 인화수소 가스 사이에서 70 sccm의 유량으로 순환되었다. 정화되지 않은 PH₃가스를 센서로 도입하는 동안, 오염 물질인 수분의 흡수에 기인한 결정의 주파수 증가가 관찰되었다. 인화수소 가스가 정화된 때 결정의 공명 주파수의 감소는 수산화 바륨 센서 피복으로부터 오염 물질이 방출됨으로써 관찰되었다. 정화된 인화수소 가스와 정화되지 않은 인화수소에 대한 센서 결정의 응답이 도6에 도시되어 있다.

Claims (19)

1. 기류의 수분 함량을 측정하기 위한 감지 장치에 있어서,

   상기 기류 내에서 금속 화합물과 수분과의 변환 반응에 의해 금속 화합물로부터 생성되어 제위치에 형성된 재료인 수산화 금속 화합물의 피복(12, 14)의 유효 질량을 갖는 감지 장치(10)와,

   상기 감지 장치(10)에 에너지를 공급하기 위한 수단(16, 18, 20, 22) 및 물리적인 응답을 측정하기 위한 수단

   을 포함하고,

   상기 피복(12, 14)은 상기 재료가 상기 감지 장치에 입력된 에너지에 대한 측정 가능한 물리적인 응답을 발생하도록 하는 질량을 갖는 것을 특징으로 하는 감지 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 감지 장치(10)는 2개의 대향 표면 상에서 상기 피복(12, 14)을 갖는 것을 특징으로 하는 감지 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 감지 장치(10)는 압전 재료인 것을 특징으로 하는 감지 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 피복(12, 14)은 수산화 바륨인 것을 특징으로 하는 감지 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 피복(12, 14)은 상기 수산화 금속 피복과 상기 감지 장치 사이에 보호 재료의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 감지 장치.
6. 기류 내의 수분 함량을 측정하기 위한 방법에 있어서,

   상기 기류 내에서 금속 화합물과 수분과의 변환 반응에 의해 금속 화합물 재료로부터 생성되어 제위치에 형성된 재료인 수산화 금속 피복(12, 14)의 유효 질량을 갖는 감지 장치(10)를 상기 기류에 접촉시키는 단계와,

   상기 감지 장치에 에너지를 공급하는 단계와,

   물리적인 응답을 측정하는 단계 및 상기 기류 내의 수분 함량에 대한 상기 물리적인 응답과 상호 관련된 표준 관계를 상기 물리적인 응답과 비교하는 단계를 포함하고,

   상기 피복(12, 14)은 상기 재료가 상기 감지 장치에 입력된 에너지에 대한 측정 가능한 물리적인 응답을 발생하도록 하는 질량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 감지 장치(10)는 압전 결정인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 감지 장치는 캐패시터이고, 상기 수산화 금속 피복(12, 14)은 2개의 판 사이에 위치된 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 피복(12, 14)은 수산화 바륨인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제6항에 있어서, 상기 피복(12, 14)은 상기 수산화 금속 피복과 상기 감지 장치 사이에서 보호 재료의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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