光學增益FTIR ; Optical Enhanced FTIR

FTIR氣體分析儀的應用展望

作者利泓科技技術專員 呂昌諺
日期2023-11-13
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傳統氣體分析遭遇的問題

大多數的工業製程與製造通常會涉及氣體的使用與排放，因此會需要準確的氣體分析技術來提升工廠產能、產品品質以及避免工安危險等。現今主流的氣體分析技術氣相層析儀(GC)與氣相層析質譜儀(GC-MS)雖然可以提供準確的分析結果，然而產出結果的時間需要數十分鐘，且伴隨著高昂的維護成本。

FTIR作為氣體分析儀的優點

我們在本文中會介紹FTIR氣體分析儀的如何協助解決上述的問題，FTIR氣體分析儀的主體包含紅外光源、氣體量測槽、偵測器等主要部件，當氣體進入氣體量測槽之後，紅外光源也持續通過相同的空間，此時氣體中的所有成分，除了已知的主要氣體，我們感興趣的不純物都會吸收部分的紅外光源，並且由偵測器偵測產生訊號。相較於氣相層析技術，需要批次進樣，FTIR氣體分析儀可以做到更即時的監控。

更重要的是，由於所有的化合物都具有特定的吸收訊號達到定性，對於異構物也能區分，隨著化合物的量增加，訊號也會跟著增加，因此也可進行定量，對於氣相層析往往需要額外的分流或是稀釋，特別是搭配質譜儀作為偵測器的時候，FTIR氣體分析儀更能凸顯容許更大的動態範圍。

最棒的是，在環境溫度與壓力維持一至的前提下，FTIR氣體分析儀不需要校正，而且定量曲線還可以在不同機台之間做轉移，省下傳統氣相層析過一段時間之後都需要重新校正的時間。

下探ppt靈敏度的OE-FTIR技術

在靈敏度的部分，FTIR氣體分析儀對於多種氣體的分析都可以達到ppm的等級，不過對於現今工廠的需要到ppb甚至ppt的量測需求顯然已經不夠，然而，由Thermo旗下的MAX-iR因為搭載了光學增益(Optically enhanced)的技術，已經下探可以分析ppt等級的不純物了，在保有分析速度快且相對於氣相層析更低的運作成本的同時，MAX-iR在不純物的分析中已經可以達到傳統氣相層析的靈敏度。

相對於其他的FTIR氣體分析儀，MAX-iR除了可以搭配DTGS之外，也可以搭配電熱式MCT偵測器，增加分析的速度。而MAX-iR最關鍵的技術，在於StarBoost光學增益技術，StarBoost主要在光學上去抑制背景中的雜訊或式去除其他非目標物的訊號，進而凸顯樣品的訊號，使訊噪比提升數十倍，讓原本僅能分析數十ppb的偵測極限，下探至ppt等級。舉例來說，MAX-iR可以分析100ppt至1ppb範圍的環氧乙烷或是甲醛。

OE-FTIR與工廠產線的結合

綜合上述，MAX-iR已經符合工廠低濃度的量測需求，除此之外，MAX-iR的軟體則是提供了自動化以及跟工廠整合的能力，MAX-iR可以接受Modbus與Digital input等方式，與工廠的數據收集系統做串連，同時MAX-iR的軟體具備多種警示功能，包含設備的診斷以及氣體濃度限值的警告，幫助使用者可以提早備料減少停機時間。同時也可以隨時對製程進行修正。在與製程整合之後，MAX-iR就像是一個可以同時連續監測200種氣體的氣體感測器，使用者僅需在控制台注意MAX-iR傳來的數值，不需要額外的人手去顧慮MAX-iR的作動。

MAX-iR FTIR的應用與優勢

在足以媲美傳統氣相層析質譜儀的靈敏度之後，MAX-iR可以應用在大宗氣體(Bulk Gas)跟特殊氣體(Specialty Gas)中的不純物分析，因應電子廠與半導體廠對於原物料純度的要求越來越高，以追求更好的良率，例如氧氣在沉積反應，江矽氧化成氧化矽，氦氣則是作為冷媒，氬氣提供惰性環境等。其他還有毒性空氣汙染物(Hazardous air pollutants; HAPs)的監控，溫室氣體的監控等等。

在某些半導體廠主要是使用光腔衰盪光譜(Cavity ring-down spectroscopy (CRDS))，CRDS也是具有靈敏度極佳的氣體分析光譜，不過每次僅能分析單一氣體，例如CO、CO2、總碳氫化合物、水分或甲烷等等。MAX-iR則可以一次性的分析上述氣體。

其次氣體分析儀必須能夠長期穩定的進行分析，工廠的環境溫度與濕度都可能影響設備的運作，因此在內部設計上與一般的FTIR不同，像是Thermo開發的MAX-iR FTIR 氣體分析儀，使用熱穩定性高的硒化鋅(zinc selenide)來取代溴化鉀，避免量測過程產生基線飄移，另外MAX-iR使用垂直腔面發射激光器 (VCSEL)作為校正雷射，取代傳統FTIR常見的氦氖雷射(He-Ne Laser)，將設備的運作年限拉長到10年以上。

一次分析多種且維持靈敏的特點，使MAX-iR可以應付複雜的環境排放氣體，特別是低濃度的甲醛氣體，在渦輪機高速排放的氣體中，EPA規範的甲醛限值為91ppb，在MAX-iR之前沒有設備做得到，僅能透過TO-11A的濕式化學法來達成，而MAX-iR可以分析到低於10ppb的甲醛。

MAX-iR FTIR的未來發展

至今，MAX-iR的開發團隊仍繼續建立定量資料庫，並繼續優化軟體介面，協助使用者面對未來可能的挑戰。例如石化產業、工業生產監控與潛在溫室氣體的監控等因應減碳而開始需要被密切注意的項目。

MAX-iR FTIR氣體分析儀小檔案

  • 每秒至每分鐘的即時分析
  • 長達10年的連續運作
  • 直接整合5U – 19吋機櫃
  • 預先建立200種以上的空氣汙染物資料庫
  • 同時定性與定量上百種氣體
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