TW569007B - A method for measuring the total concentration of carbon monoxide and hydrocarbons in oxygen by means of ion mobility spectrometry - Google Patents

Description

569007 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A 7 _ B7_五、發明説明（Ο 本發明係關於藉由離子移動光譜測定法測量氧中一氧 化碳及烴之總濃度的方法。 在積體電路工業中氧常廣泛地使用做爲反應氣體，以 產生氧化物層，而在電路不同活性部份之間作用爲電絕緣 體。如眾所週知，在這些裝置的製造中，所有使用物質的 純度基本上是很重要的；而事實上，可能存在於反應劑或 反應環境中之污染物都會掺入固態的裝置中，因此而改變 彼等之電的特性並引起生產廢料。在製造過程中所用之氣 體規格可隨不同的製造者而改變，並視氣體所用之特定方 法而定。通常’當其雜質含量不超過10 ppb(十億分之一， 也就是說，每109個總氣體分子一個雜質分子）；以製造目的 而言，都是可接受的；較佳地，雜質含量係低於1 ppb。因 此，以精確及再現性的方式來測量氣體中極低之雜質濃度 的可行性就變得很重要。 已使用於此一目的之技術是離子移動光譜測定法，在 此藝中係以縮寫IMS爲人所熟知；相同的縮寫也可用在進 行此技術之儀器上，在此情況下乃標示爲”離子移動光譜 測定計”。此技術令人感興趣的是在於其極高的靈敏度，及 儀器的有限尺寸和成本；藉由在合適條件下操作，即可於 一氣體介質中以微微克（pg，亦即克）之量或兆分之一 (ppt，相當於每1012個試樣氣體分子一個待分析物質之分子） .之譜的濃度，偵測到氣體或蒸氣相中的物質。舉例之，吾 人所用之IMS儀器及分析方法係揭示於讓‘渡于美國公司PCP Inc·的美國專利第5,457,326案號及第5,955,886案號。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格（210 X 297公着)' 一 -4- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 569007 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（2) 此技術之物理化學背景相當複雜，恰如IMS分析結果 的解釋一般。爲了解說這些背景及結果，可參閱G.A. Eiceman 及 Z. Karpas 之 ”Ion Mobility Spectrometry” 一書， CRC Press公司1994年發行。 簡述之，IMS儀器基本上係由反應區、分離區及荷電 粒子收集器所組成。 在反應區內，該含有待分析氣體或蒸氣的試樣將會在 載劑氣體中發生通常是藉由63Ni發射出/3放射線的電離作用 。電離作用主要係發生在載劑氣體上，而形成所謂的”反應 物離子”，然後其電荷會視其電子或質子親和力或其電離勢 而分佈到既存之物質上。 反應區係藉由柵條而區隔出分離區，當維持在一合適 電勢時，該榨條可防止反應區所產生之離子進入分離區。 分析上”零時刻”係建立在榨條電勢取消時，讓離子通過分離 區的那一瞬間。 分離區包含一系列的電極，其可製造一讓離子從柵條 運送到收集器之電場。在此區域中係維持在大氣壓力下， 氣體流和離子移動的方向是呈相反的。逆流之氣體（此範圍 內乃定義爲υ飄移氣體”）是一非常純的氣體，其可相當於待 測量雜質含量之氣體，或相當於另一氣體。離子移動速率 將視電場及相同離子在氣態介質中的橫切面而定，如此不 同離子就需不同的時間越過分離區，以及到達粒子收集器 。從”零時刻”至到達粒子收集器之時刻，其所流逝的時間稱 爲”飛行時間”。收集器係連接到訊號處理系統（其可將目前 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐〉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

-5- 569007 A7 B7 五、發明説明（3) 感知到的數値變成以時間爲函數之最終圖表），其中相對應 到不同離子的峰乃顯示爲”飛行時間”的函數；從此時間點的 測量及試驗條件的了解，要追蹤到分析目標物的存在是可 行的，然而，從峰面積中經由合適的運算法則也可計算出 相對應物質之濃度。 在最共通的模式中，IMS分析法係在帶有正電荷之物 質上進行。而相反地，在氧的情況下則是於反應區形成負 電物質。在此條件下（負電模式），IMS分析法則只能運送具 有電子親和力高過氧的物質，然後，從此氣體中接收到一 電荷；其基本上是發生於二氧化碳，（：〇2的情況中。所以， 分析氧中的雜質便會受到限制。這些物質在氧中的濃度， 較有興趣測量的，舉例之，是一氧化碳，CO、及烴，尤其 是甲烷，CH4。 本發明之目的是提供一種藉由離子移動光譜測定法測 量氧中CO及烴之總濃度的方法。 根據本發明係，該目的可經由一包括如下操作步驟之 方法而達成： a) 將存在於氧氣流中之一氧化碳及烴轉化成二氧化碳； b) 在如步驟a)之轉化後，測量二氧化碳在氧中的濃度 ;以及 c) 從步驟b)之測量中，推衍出一氧化碳及烴之總起初 濃度。 根據本發明之第二個具體實際例，其是使用最初已含 有二氧化碳做爲雜質的氧爲例子（此狀態可經由執行氧之初 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝.

、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -6 - 569007 A7 -_ 五、發明説明（） 17 粒子收集器 18 裝置 19 光譜 Vi 三向閥 v2 三向閥 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明將參考唯一之圖（示意性地顯示一可實施本發明 方法之系統）而於下文中說明。 根據本發明之方法，該在氧中無法藉由標準IMS分析 法偵測到之CO及烴，可定量地轉化爲二氧化碳，c〇2，相 反地，其在此分析中便可測量得到。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明方法可藉使用如圖1所示之氣體處理系統而實施 。系統1 0包括有，供待檢之氣體用的入口管線11 ;延著管 線Π放置一可將CO及烴轉化成C〇2之系統12 ;系統10可進 一步包括上游及下游之系統1 2、兩個三向閥，V!及V2，其 可從氣體流中將系統12隔開，而延著第二管線11’使氣體流 偏離。IMS分析器13則包括反應區14、經由榨條16而隔開之 分離區15 ;與區14反方向的區15末端，則放置粒子收集器 17(並無進一步說明，如顯示般，其係像供”飛行氣體”用之 入口及出口）；收集器是以電的方式接連到裝置18上，其含 有一電子部份，可將來自收集器1 7之電脈衝轉換成數字資 料，以及一運算部份（例如微處理器）以處理這些資料；裝置 18也可依物理方式與IMS儀器整合成單一個體；最後，裝 置18會產生一光譜19做爲分析結果，其中所記錄之峰乃相 對應爲不同的的化學物資（彼等是以在儀器1 3中的飛行時間 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 569007 A7 B7 ' -g 五、發明説明（） 爲函數而運送）。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在如本發明方法之第一個具體實際例中，進入系統i 〇 之整個執热流係藉由合適之操作閥V1及V2而送入轉化系統 12 ’接著進行C◦及烴之轉化反應，而該所處理之氣體將被 送進IMS分析器13內，以進行分析。 在如本發明方法之第二個具體實際例中，操作步驟b) 係如第一個具體實際例的情形進行，而操作步驟b，）則是藉 將進入系統1 0之整個氧氣流經由管線1 1 ’送入分析器丨3中而 進行’在此例子中也是藉由合適之操作閥7!及V2來格開系 統1 2。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 供使CO及烴轉化成C〇2之系統12包含至少一個氧化催 化劑化合物；此類化合物最好是持續不斷地再生，因爲C〇 及烴會以微量存在於幾乎完全由氧組成之大氣中。舉例之 ，可用於此轉化反應之催化劑化合物是某些貴金屬的氧化 物，例如釕、铑、鈀及鉑；其中又以氧化鈀，PdO爲較佳 。Pd◦的最佳操作溫度係在約200至約35 0°C之間。氧化鈀或 供C0及烴轉化之含此化合物的更完整系統皆已商品化，如 Applicant公司、德國公司 Deguss-Huls AG及美國公司 Engelhand Co所販售者。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 569007 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 Β8 C8 D8六、申請專利範圍q 1·一種藉由離子移動光譜測定法測量氧中一氧化碳及烴 之濃度的方法，彼包括下列操作步驟： a) 將存在於氧氣流中之一氧化碳及烴轉化成二氧化碳； b) 在步驟a)之轉化後，測量二氧化碳在氧中的濃度； 以及 · c) 從步驟b)之測量中，推衍出一氧化碳及烴之總起初 濃度。 2.如申請專利範圍第1項之方法，彼可進一步包括操作 步驟bj，其包含在氧氣流中進行另一不屬於步驟a)之轉化 反應的二氧化碳濃度之測量。 3·如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟a)係藉由一 供氣體處理用之系統10而進行，該系統10包括供待檢氣體 用之入口管線（11 )，可轉化一氧化碳及烴之系統（1 2)， IMS 分析器（13)及一感測與資料處理裝置18，並藉由可適度操作 的兩個三向閥（V! ; V2)，其可安排至該轉化系統之上游或下 游，而將整個進入該處理系統之氣體流送到該系統中，以 使一氧化碳及烴轉化。 4.如申請專利範圍第2項之方法，其中步驟b’）係藉由 一供氣體處理用之系統10而進行，該系統10包括供待檢氣 體用之入口管線（11)，可轉化一氧化碳及烴之系統（12)， IMS分析器（13)及一感測與資料處理裝置18，並藉由可適度 操作的兩個三向閥（V! ; V2)，其可安排至該轉化系統之上游 或下游，而將整個進入該處理系統之氣體流經由第二管線 送到該分析器中，同時避免通過該可轉化一氧化碳及烴之 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -10- 569007 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍2 系統。 5.如申請專利範圍第3及4項中任一項之方法，，其中該 可轉化一氧化碳及烴之系統包含至少一個對烴之氧化反應 具活性的催化劑化合物，其係選自貴金屬氧化物。 6 ·如申請專利範圍第5項之方法，其中該化合物係氧化 鈀。 7.如申請專利範圍第6項之方法，其中氧化紀在步驟b )期間係保持在200至350°C的溫度下。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 、1T

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