关于半导体行业气体监控系统研究_周长成.pdf

第 卷第 期 年 月广 州 化 工 .安全与管理关于半导体行业气体监控系统研究周长成，汪 平，刘 森（浙江创芯集成电路有限公司，浙江 杭州）摘 要：半导体工厂使用多样之特殊气体，特殊有：腐蚀性、氧化性、易燃性、自燃性、毒性、窒息性，这样的气体如果发生泄漏而我们毫无察觉，是一件非常危险的事情；因此为维护厂内人员安全、环境保护、公司财产、需要设置完善的气体侦测系统，以防患未然，气体监控系统作为半导体工厂内最重要的生命安全系统，是最重要的 安全基石，但是侦测只是探测手段，不泄漏才是本质安全，重视侦测系统的同时，还要加强本质安全管理。关键词：半导体；气体侦测；安全中图分类号：文献标志码：文章编号：（）第一作者：周长成（），男，本科，资深工程师，主要从事半导体气体化学专业。，（.，.，）：，：；特种气体是半导体材料制造过程不可缺少的基础性支撑源材料，它的纯度和洁净度直接影响到光电子、微电子元器件的质量、集成度、特定技术指标和成品率，并从根本上制约着电路和器件的精确性和准确性。半导体工业用气体品种多、质量要求高，大部分是有毒或腐蚀性气体，因此为保证人员及财产安全气体监控系统尤为重要。气体监控系统（如图 所示），简称 系统，系统设置目的大致介绍：（）气体侦测系统职能，旨在监测工艺所使用之供气设备（如、等）及毒性或有害气体是否泄漏，及作业环境中毒性气体及氧气浓度，并于泄漏时提供报警信号予气体供应系统连锁联动，同时由广播系统及本地报警单元传达警告讯息；（）气体监控系统职能，包括但不仅限于供气设备（如、等）、尾气处理装置、大宗气体供应系统及附属设备仪器仪表、其它仪器仪表（如，、地震仪等）。系统特点.安全性高灵敏度气体侦测器侦测到气体泄漏时，透过各种报警装置及联锁控制能实时反馈给 值班人员，从而作进一步处理，充分担任安全警卫的重要角色。图 气体监控系统架构图.广 州 化 工 年 月.可靠性采用光纤环网组成以太网（）、冗余（）等可靠性措施减少单点故障引起的系统停机。.高速性以以太网为主要网络的通讯管道，提供 高传输效率，使用高速数据总线连接现场设备，报警可以在极短时间内反应至。.分布式、监控、控制、模块组成分布式系统达到易配线、易扩充的特性，以应现场设备随时扩充可能。.扩展性以太网、交换机提供端口的近乎无限扩展，提供高容量的远程分布式 模块，满足半导体厂因产能扩充增加的供气设备监控点数的要求。气体侦测器分类.侦测器按照品牌分类，、及（）等。.按照侦测原理分类，分为电化学式、接触燃烧式、半导体式电化学式侦测器主要分为三类：定电位电解式、隔膜离子电极式与隔膜伽伐尼电池式三种，对有毒气体进行检测报警的仪器大部分使用定电位电解式传感器。这种传感器对毒性气体检测灵敏度高，可以检测数十种不同毒性气体，定电位电解式传感器构造如图 所示。图 定电位电解式传感器构造.其构造是在塑料的容器内装有隔膜、作用电极、对电极和电解液预先通过电压电源向二级间输送氧化电位，当要测定的气体通过隔膜进入传感器时，在作用电极和电解液的界面处发生氧化反应，与要检测气体的浓度相对应的电子到达电极处，扩散电流流向二级。因为该扩散电流与气体浓度成比例，通过增幅等电路便可在仪器中检测气体浓度。下面以定电位电解传感器检测硫化氢（）气体的反应原理为例：当 气体接触到作用电极时发生如下反应：的阳极反应，另外在空气中和氧接触的对电极发生：，整个反应为，检测 的氧化反应的电流，可测定 的浓度。（）接触燃烧式传感器是目前可燃性气体检测仪最广泛使用的传感器元件，接触可燃式制作工艺大致介绍如图 所示。图 接触燃烧式原理图.用 约.的铂（）金丝，绕成螺旋状，并切成想通的一小段，在铂金旋圈外分多次涂上氧化铝载体，做成白色多孔元件，取其中一个作为补偿元件（该元件不能与可燃性气体进行接触燃烧）。另一个在载体上面涂含铂、钯的溶液，使元件表面形成触媒体，这种元件叫检测元件。当含氧气的可燃性气体接触到检测元件表面时，能产生接触燃烧反应。由于检测元件表面涂铂、钯触媒，气体在其表面燃烧温度可以很低。由补偿元件和检测元件组成惠斯通电桥电路，电路通以稳定的电流给元件加热，在无可燃气体的情况下，电桥是平衡的电流输出，当检测元件接触到含氧可燃气体时，在元件表面进行接触燃烧反应。这种反应热使检测元件的温度上升，电阻增大，而补偿元件的表面因没有涂催化剂，元件对可燃性气体是惰性的，不产生燃烧反应，元件电阻仍保持恒定。检测元件燃烧反应电阻变化与可燃性气体浓度在一定范围内是成正比关系的，也就是电桥电路因检测元件电阻变化而输出电流也变化，其输出电流与可燃性气体浓度成比例关系，我们利用这个原理就可检测可燃性气体的浓度。（）半导体式传感器灵敏度高，以监测低浓度（）气体最常见，一般可用于毒性及爆炸性气体监测，如图 所示。图 半导体式原理图.气体报警值设定（）储存、输送、使用特种气体的系列区域或场所应设置特种气体探测装置：自然性、易燃性、剧毒性、毒性、腐蚀性气体气瓶柜和阀门箱的排风管口处；第 卷第 期周长成，等：关于半导体行业气体监控系统研究 生产工艺设备的自然性、易燃性、剧毒性、毒性、腐蚀性气体阀门箱的排风管口处，工艺设备的排风管口处；生产工艺设备的特种气体的废弃处理装置排风出管口处；惰性气体间可能产生窒息的区域；自然性、易燃性、剧毒性、毒性、腐蚀性气体设备间；其他可能发生泄漏的自然性、易燃性、剧毒性、毒性、腐蚀性气体的环境。（）易燃性、自然性特种气体探测系统、有毒气体检测装置应设置一级报警或二级报警。（）自然性、易燃性、剧毒性、毒性气体、氧气检测装置报警设定值应符合下列规定：自然性、易燃性气体的一级报警设定值不应大于 易燃性气体爆炸浓度下限值，二级报警设定值不应大于 易燃性气体爆炸浓度下限值剧毒性、毒性气体的一级报警设定值不应大于 空气中有害物质的最高允许浓度值：时间加权平均容许浓度（），二级报警设定值不应大于 空气中有害物质的最高允许浓度值：时间加权平均容许浓度（）；设在惰性气体间的氧气探测器，其一级报警设定值不应小于.氧气体积浓度（），二级报警设定值不应小于氧气体积浓度（）。（）二氧化碳气体系统宜设二氧化碳气体侦测器，其报警设定值应为 。（）硅烷排风管的气体探测器的报警设定值，应小于或等于 ，并应与硅烷气源的自动切断阀联锁；硅烷站环境气体侦测器的报警设定值应小于或等于 ，环境气体探测器报警时，硅烷控制系统不应自动切断硅烷输送管路。侦测器安装布点（）侦测点以布置于 前为原则，确保侦测器一直保持侦测状态。（）侦 测 点 取 样 位 置 应 位 于 管 道 弯 曲、收 缩、放 大、处上游 倍直径（）或下游 倍直径（）以上，若因现场因素无法符合上述规定，至少应处于上游.倍直径（.）或下游 倍直径（）以上，可有效防止文丘里效应带来的流体死角，避免无效侦测（如图 所示）。图 侦测器采样位置示意图.（）环境点侦测器取样点需根据气体比重安装取样管位置：比重大于空气的设置在环境底端，（距离地面 ），比重等于空气的应设置距离地面 之间，比重小于空气的应设置在环境顶端（距离天花板 ）。典型的侦测器接线方式：电源、读值输出、继电器输出、以太网输出交换机，如图 所示。图 侦测器接线方式.图控系统（）监控系统软件部分，是由组态软件完成，常用的组态软件有，具体见表。表 常用的组态软件对比表 比较系统扩展性较为稳定较为稳定项目比较庞大，有时会出现不易查明的故障架构支持多服务器、多客户端结构支持分布式服务器、客户端结构，架构最先进支持多服务器、多客户端系统扩展性支持微软的，二次开发较容易集成 框架，扩展性强自己封装的函数，不宜做较多的拓展开发 通讯支持多种通讯协议通讯协议较少通讯协议较少数据点管理数据类型多，有独立的数据点管理平台有独立的后台数据对象管理通常 周图形功能强强一般市场占有率占有率低，近年呈下降趋势占有率较高，近年呈上升趋势因西门子控制系统较多，所以监控软件也用的较多优点对西门子自己的 支持很好，通讯稳定并容易配置 驱动能力强，便于系统扩展和更新，提供了很多功能很强的软件包供用户选用，简单易用，运行稳定，运行速度比 更快对各个厂家的 支持都很好，驱动能力强 广 州 化 工 年 月续表 缺点体积大，有很多功能软件包集成在一起，容易出现问题；对系统安装环境和步骤要求苛刻，对操作系统的版本都有特殊的要求，升级繁琐抗病毒能力差支持的通讯协议较少设置极其复杂，对维护人员的技能要求极高（）在 监控系统中，如图 所示。图 典型的监控系统画面.监控软件主要完成以下功能：区域监控：根据厂区设备平面图分区监控，记录报警提示、历史报警查询、实时曲线图等；安全管理：对设备报警参数，上线状态进行设定，并对敏感的参数设定实施权限控制。结 论 气体监控系统作为半导体工厂内最重要的生命安全系统，是最重要的 安全基石，但是侦测只是探测手段，不泄漏才是本质安全，重视侦测系统的同时，还要加强本质安全管理，安全问题，没有侥幸，脚踏实地，实事求是才是企业安全永续发展的真谛。参考文献 王世东.延迟焦化装置技术问答第 版北京：中国石化出版社，.瞿滨.延迟焦化装置技术问答北京：中国石化出版社，.禹晓伟.硫磺回收联合联合装置技术问答北京：中国石化出版社，.秦仲雄.高压聚乙烯装置可燃气体检测报警系统改造世界仪表与自动化，（）：.燕战秋.陶瓷传感器材料及其进展材料科学与工程，（）：.特种气体系统工程技术标准（上接第 页）罗伟.新冠疫情下材料工程基础课程思政教育广州化工，（）：.冯锐，张爱娟，杜庆洋，等.新工科背景下材料工程基础虚拟仿真实验教学模式探索与实践山东化工，（）：.齐铭，王琛，王栓强，等.应用型本科院校材料工程基础教学改革探讨 以西安航空学院为例教育教学论坛，（）：.鲁玺丽，孙志洁，薛丽莉，等.材料工程基础课程建设与教学模式探讨科教导刊（中旬刊），（）：.常志宏，潘海燕，袁华.材料工程基础教学方法探讨教育教学论坛，（）：.赵红利，张红霞，罗成.材料工程基础综合实验教学改革探索科技创新导报，（）：.杨建校，肖汉宁，陈石林，等.材料工程基础课程教学的思考教育教学论坛，（）：.