背景

水蒸气通过包装薄膜或屏障的吞吐量有很多驱动因素。 显而易见的典型食品包装之一现在可以很好地使用现成的渗透测量仪器。 对用于当前商业一代光伏太阳能电池的薄膜的更高要求可以说是在当今商业仪器的限制范围内。 然而，有机 LED 显示器的结构需要对水蒸气具有极高的密封性，这给仪器制造商带来了最新的挑战。 据称，小于 10-5 g/m2/天的水蒸气透过率（测量 WVTR 的需要）将使 OLED 显示器的使用寿命超过 1 年(1) ，此后内部电极将越来越受到损害. 屏障制造商现在正在寻求 10-7 g/m2/天的 WVTR 性能，以提供具有更长使用寿命的商业产品。 这些材料目前只能以多层形式生产，将传统的有机聚合物薄膜与无机金属材料交替使用。 通过这种方式，尽管各个层中存在缺陷，但仍会创建迷宫式路径(2)以阻止气体和蒸汽通过。

测量技术

传统上，测量 WVTR 的系统包括一个湿室和相邻的干燥室，由一片被测阻隔材料隔开。 严格控制干湿环境，结合水分测量，使用菲克定律，可以计算通过屏障的水传输。 该定律简单地指出，穿过屏障的扩散是穿过屏障的浓度梯度及其厚度的线性函数。 因此，通过了解两侧的水蒸气浓度和屏障的尺寸，可以找到 WVTR。 因此，任务之一就是测量被测屏障两侧的水分含量。 从这个角度来看，上面提到的关于 OLED 的 10-5 g/m2/天 WVTR 相当于典型渗透仪器配置的干燥室中小于 0.2 ppbv 的水蒸气含量。

有许多用于水分测量的候选传感方法，将专门考虑低水分干燥室痕量级任务。 痕量水最常用的技术是红外 (IR) 光谱吸收、质谱、金属钙氧化率和库仑电化学电池。 其中，IR 技术可以进一步分为四个容易识别的竞争者，傅立叶变换 IR、腔衰荡光谱 (CRDS)、可调谐激光二极管 (TLD) 和非色散或过滤的 IR。

FTIR 基于光谱中的多峰识别，长期以来一直是首选的研究级技术，但在商业领域并不领先，因为它复杂且昂贵。 CRDS 基于测量发射到包含待测气体的谐振腔的非常短的激光脉冲的衰减时间的概念。 水的光谱选择的 IR 脉冲会随着水的减少而衰减得更慢。 它的性能接近薄膜 WVTR 测试的当前要求，并且确实已用于此能力(3) 。 在英国 NPL 进行的这项研究似乎是概念验证，而且商业实施可能会很昂贵，而且没有明确的测量增强途径。

TLD 光谱具有非常窄的带宽潜力，在过去十年中进行了大量工作，可能适用于未来的渗透测量。 NDIR 通常基于单个光学过滤峰的吸收，在许多供应商的渗透仪器中得到了很好的证实。 然而，商业仪器的检测极限数量级高于目前对屏障性能的要求。

质谱法能够测量几乎任何气体种类，并能够在其检测器内检测离子的分子量。

然而，它确实需要在低真空压力下运行，因此为了应对接近大气压的压力，必须采用复杂的气体采样系统。 这一点，连同它的复杂性和成本，迄今为止限制了它在学术研究中的使用。

钙薄膜在水分存在的情况下转化为氢氧化物，这与金属具有非常不同的光学和电学特性。 最初看起来是一种粗略的技术，利用电阻和光传输变化的研究表明，它可以接近测试最新障碍所需的灵敏度。 此外，经常提到的氧气干扰，也与 Ca 反应，最近已被证明是微不足道的(4) 。 也就是说，它仅用于实验室条件下的一次性实验测量，并且不容易用于仪器设计。 它的问题之一是动态范围非常有限，仅限于最低渗透范围。

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 Illinois Instruments 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。

校准和标准

大多数 IR 吸收仪器对水蒸气浓度具有特征响应，这是仪器检测器设计的函数，并且会随着时间发生漂移。 因此，他们需要不时进行校准。 相比之下，库仑传感器受法拉第定律的约束，该定律将水分子的电化学解离精确地与 2 个电子联系起来，因此提供的电流与消耗的水量绝对相关。 在某种程度上，当考虑化学反应的化学计量时，如果所有的水都被消耗掉，钙转换技术也可能声称具有绝对校准。
校准标准以可追溯气瓶的形式提供。 NPL 再次活跃于该领域 ( 5) ，能够制定 5-2000 ppbv 范围内的标准；毫无疑问，可以使用替代来源。 另一个标准是仪器制造商提供的某种校准屏障，它本身又根据可追溯标准进行校准。

除了水分计量方面，必须仔细考虑屏障表征的方法，以避免泄漏、陷阱、污染气体等的下降。 为此，制定了多项国家标准来定义仪器设计和操作的广泛规则，例如两个是用于调制 NDIR 仪器的 ASTM F-1249 和用于电解（库仑法）的 ISO 15106-3。

商用仪器比较

通常可用的商业渗透测量仪器有两类。 这些是 NDIR 光谱吸收设计和库仑仪器。

NDIR 仪器提供方便、易用的测量，维护成本低，相对易于使用。 有些还可以提供氧气传输率和 WVTR 的双重作用。 这些渗透测量不是绝对的，因此需要根据标准进行定期校准，以消除任何漂移并保持准确性。 目前的 NDIR 产品现在似乎已达到其检测极限，约为 10-3 g/m2/天，并且不可能提高灵敏度。

库仑 WVTR 测量通常需要以传感器维护的形式进行更多的内务处理，但除此之外，现代数字仪器非常简单且用户友好。 它们还有一个很大的好处，即测量是绝对的，因此与传输的水蒸气的精确量直接相关，并且不需要使用标准。 最新的仪器已经超过了 NDIR 类型的灵敏度，进一步的改进触手可及。 Systech Illinois Instruments 始终关注更广泛的发展，专门从事这种类型的渗透测量，并且通过他们的旁路传感设计可以提供全范围的线性响应。 他们坚持不断开发内部传感器和仪器的政策，将 OLED 社区的需求牢牢把握在他们的视线之内。

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脚注
1 S. Schubert、H. Klumbies、L. Müller-Meskamp 和 K. Leo，Rev. Sci。 仪器。 82, 094101 (2011)
2 GL Graff、RE Williford 和 PE Burrows，J. Appl。 物理 96, 1840 (2004)
3 PJ Brewer、BA Goody、Y. Kumar 和 MJT Milton，Rev. Sci。 仪器。 83, 075118 (2012)
4 Matthew O. Reese、Arrelaine A. Dameron 和 Michael D. Kempe，Rev. Sci。 仪器。 82, 085101 (2011)
5 PJ Brewer、BA Goody、PT Woods 和 MJT Milton，Rev. Sci。 仪器。 82, 105102 (2011)

2012 年 12 月
作者：Ken Evans MEng CEng MIET