背景

测量包装薄膜或阻隔层中水蒸气的通量有多种驱动因素。最显而易见的就是食品包装，目前该领域已有大量现成的透过率（WVTR）测试仪器满足需求。而对于当前商业化光伏太阳能电池所用薄膜的要求，也在现有商用仪器的检测极限范围之内。

然而，用于有机发光显示屏（OLED）制造的薄膜对水蒸气的极致密封性提出了新的挑战。据报道，若水蒸气透过率（WVTR）低于 10^-5 g/m²/day，则 OLED 显示屏的寿命可超过一年，再之后内部电极将逐步受损。而为了获得更具商业价值的产品寿命，阻隔材料制造商目前正将 WVTR 的目标提高到 10^-7 g/m²/day。

这些阻隔材料目前只能通过多层结构制备——即在传统有机聚合物薄膜与无机金属材料之间交替叠加。即便单层存在缺陷，这种结构也能形成“迷宫”通道，有效阻挡气体和水蒸气的渗透。

测量技术

传统的 WVTR 测量系统通常由一个湿室和相邻的干室构成，中间隔着一张待测阻隔材料薄膜。通过严格控制湿室和干室的环境条件，并测量其中的水分含量，可利用菲克定律（Fick’s Law）计算出水蒸气透过率。该定律表明，扩散量与薄膜两侧浓度梯度和厚度呈线性关系。

因此，关键任务就是准确测量阻隔薄膜两侧的水蒸气浓度。以 OLED 所需的 10^-5 g/m²/day WVTR 为例，相当于典型透过率仪干室中的水蒸气含量低于 0.2 ppbv，对测试提出了极高的要求。

💧 低水分测量的候选传感方法

目前用于低水分测量（干室端）的方法包括：

• 红外（IR）光谱吸收

• 质谱法

• 金属钙氧化速率法

• 库仑电化学传感器

其中，IR 可再细分为：

• 傅立叶变换红外（FTIR）

• 腔衰荡环形光谱（CRDS）

• 可调谐激光二极管（TLD）

• 非分散或滤波红外（NDIR）

🔬 IR 技术

• FTIR：基于多峰识别，长期作为科研级工具使用，但商业化复杂、昂贵。

• CRDS：通过测量注入含待测气体谐振腔中的短脉冲激光衰减时间。水分越少，衰减越慢。性能接近目前对薄膜 WVTR 的需求，但多停留在概念验证阶段，商用化成本高。

• TLD：拥有非常窄的带宽，未来可能适合渗透测试。

• NDIR：利用单个光学过滤峰值吸收，已被多家透过率设备采用，但检测限仍高于阻隔性能的现阶段需求（约 10^-3 g/m²/day）。

⚗️ 质谱法

可检测几乎所有气体种类，但需要在低真空下运行。若要适应近大气压，需用复杂的气体采样系统，因此主要用于科研。

⚙️ 金属钙法

利用薄膜状钙在水分存在下转化为氢氧化钙，其电学/光学特性截然不同。尽管看似原始，但通过电阻或透光率的变化，已证实可接近对最新阻隔层所需的灵敏度。氧气干扰也被证实可以忽略。不过目前仅限实验室单次测试，动态范围极小。

最后，基于吸湿材料中吸收的水蒸气的电解电流的库仑传感器是各种渗透仪器制造商的首选技术。 多年来，Systech 一直处于这些传感器开发的最前沿，这些传感器提供了一种经济但可能极其敏感的解决方案。

⚡ 库仑电化学传感器

基于水分被吸湿材料电解所产生的电流。许多透过率仪器采用此法，因其具备成本低、潜在极高灵敏度的优势。Systech 多年来一直致力于此类传感器开发。

🧭 校准与标准

• 大多数 IR 吸收仪器的响应与设计相关，并会随时间漂移，需定期校准。

• 库仑传感器则依据法拉第定律，水分子电解生成的电流与水分含量直接成正比，因此测量是绝对的，无需标准气体长期校正。

可用可追溯气瓶（NPL 等提供 5–2000 ppbv）进行校准。此外还可用经标准溯源的阻隔膜进行系统校验。

各国已制定标准化方法来避免泄露、吸附等问题，例如 ASTM F-1249（用于调制 NDIR）和 ISO 15106-3（用于库仑电解法）。

🔍 商业仪器比较

🌐 NDIR 红外传感器

• 易用、维护少、可同时测氧气与水蒸气透过率

• 但非绝对测量，需定期校准，检测限约 10^-3 g/m²/day，短期内难以提高。

💎 库仑传感器

• 需要更多日常传感器维护，但操作友好，测量为绝对值，无需标气。灵敏度已超越 NDIR，Systech 的旁路传感设计提供全量程线性响应，并持续优化以满足 OLED 的极端需求。

工业物理旗下英国SYSTECH品牌包含多款氧气/水蒸气透过率分析仪：

• 8101e氧气透过率分析仪
• 7101水蒸气透过率分析仪
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