Vochtmeting in cleanrooms

Vochtmeting in cleanrooms

De keuze van de juiste meetinstrumenten is van groot belang voor het behalen van optimale meetresultaten. Dit geldt ook voor kalibraties, die op regelmatige basis moeten worden uitgevoerd en gebaseerd moeten zijn op herleidbare standaarden.

Een groot aantal producten, waaronder farmaceutische producten en halfgeleiders, worden in cleanrooms geproduceerd. In de regel worden vocht, temperatuur, deeltjesaantallen en druk gemonitord, omdat deze parameters een aanzienlijke invloed kunnen hebben op de kwaliteit en de productiviteit.

Relatief vocht

Het relatieve vochtgehalte (rF) geeft het aandeel waterdamp in het gasmengsel van een omgeving aan. Het geeft de verhouding weer tussen de huidige waterdamp in een ruimte en de maximale hoeveelheid waterdamp die bij dezelfde temperatuur aanwezig kan zijn. Processen zoals uitzetting en krimp, verharden en verzachten van materialen, verandering van de viscositeit van een vloeistof, groei van micro-organismen, toename van statische elektriciteit, evenals corrosie en roestvorming worden voor een groot deel door de vochtigheid beïnvloed.

Dauwpunt

Het dauwpunt (Td) is de temperatuur waarop een gasmengsel moet worden afgekoeld om condensatie te veroorzaken. Het dauwpunt is een maat waarmee zeer kleine hoeveelheden water in een gasmengsel, zoals lucht, kunnen worden aangegeven. Bij de microbewerking van halfgeleiders heersen zeer droge omstandigheden, omdat watermoleculen als verontreinigingen worden beschouwd. Onder dergelijke omstandigheden ligt het relatieve vochtgehalte praktisch constant rond 0 %rF, maar op de dauwpunt-schaal zijn zelfs kleinste veranderingen in het watergehalte in het gemeten gas gemakkelijk waar te nemen.

Verschillende toepassingen, verschillende eisen

Fabrikanten van farmaceutische producten beschikken doorgaans over een groot aantal cleanrooms. De regeling en registratie van temperatuur en vochtigheid vallen onder de strenge regels van GMP (Good Manufacturing Practice). De belangrijkste eigenschap die van vochtigheidssensoren wordt geëist, is een hoge nauwkeurigheid. Het is daarom van groot belang om nauwkeurige kalibraties uit te voeren om te garanderen dat de sensoren op lange termijn geen meetdrift vertonen.
In de voedingsmiddelenindustrie moet de vochtigheid in de productieruimtes op een bepaald niveau liggen of onder een bepaalde waarde blijven. Zo zijn waarden van bijvoorbeeld 40% of lager algemeen gebruikelijk. Hierdoor wordt de groei van microben en bacteriën, die voedselvergiftiging kunnen veroorzaken, beperkt.
Bij de productie van halfgeleiders en elektronica wordt de afstand tussen productgeneraties steeds korter. Dit maakt het monitoren van de vochtigheid of het dauwpunt in het productieproces steeds belangrijker. In de mini-omgevingen van productiefaciliteiten worden steeds vaker hoogprecisie meetsystemen geëist met afwijkingen van +/-1 %rF.
Het is ook uiterst belangrijk om de vochtigheid te monitoren bij installaties voor de productie van vloeibare kristalpanelen en verf. In deze gevallen speelt de houdbaarheid en nauwkeurigheid van de vochtigheidssensoren een grote rol. Vooral in dergelijke productie-installaties komen vaak ongewenste luchtverontreinigingen voor, die de sensorelementen kunnen beïnvloeden.

Sensor technologieën voor vocht en dauwpunt

In de praktijk worden twee soorten vochtigheidssensoren gebruikt die het watergehalte in de lucht meten: een type meet de relatieve vochtigheid, de andere het dauwpunt. In een atmosfeer met een vochtgehalte van minimaal 10 %rF wordt meestal directe vochtmeting toegepast, terwijl bij lage vochtigheid een dauwpuntmeting de voorkeur heeft. In speciale gevallen wordt deze echter ook bij hoge vochtigheid gebruikt.

Tot de vocht- en dauwpuntssensoren behoren:
1. Psychrometer
2. Mechanisch hygrometer
3. Lithiumchloride-hygrometer
4. Weerstandshygrometer
5. Capacitatieve hygrometer
6. Dauwpuntspiegel-hygrometer

De sensoren 1 - 6 kunnen normale omgevingsvochtigheden meten. De sensoren 5 en 6 worden ook gebruikt bij het meten van lage dauwpunt-temperaturen. De principes van de verschillende technologieën worden hieronder kort beschreven.

1. De psychrometer is een eenvoudige vorm van een hygrometer, bestaande uit twee thermometers. De droge thermometer
meet de actuele luchttemperatuur, terwijl de vochtige thermometer met een natte doek is omwikkeld. Deze wordt gekoeld door verdamping van water. Zowel de hoeveelheid verdamping als de daarbij vrijkomende verdampingskoude hangen af van de luchtvochtigheid. Uit het verschil tussen de twee temperaturen wordt met behulp van tabellen of berekeningen de waterdampdruk in de omgeving bepaald en vervolgens de relatieve vochtigheid berekend. Deze methode wordt vaak in laboratoria en klimaatkamers toegepast.
2. Bij een mechanisch hygrometer wordt de vochtigheid gemeten en geregistreerd met behulp van een materiaal dat bij verandering in vochtigheid inkrimpt of uitzet, zoals menselijk haar. Dit meetprincipe wordt al vele jaren gebruikt. De nauwkeurigheid van deze methode is niet bijzonder hoog.
3. De Lithiumchloride-hygrometer werkt volgens een meetprincipe dat gebaseerd is op de hygroscopische eigenschap (het vermogen van een stof om watermoleculen aan te trekken) van lithiumchloride. De sensor bestaat uit een spoel omhuld met een vochtopnemend weefsel, met een bifilare winding (twee geïsoleerde draden met tegengesteld stromende stroom). De spoel is bedekt met lithiumchloride. Door de winding en de lithiumchloride-oplossing wordt een wisselstroom geleid die voor verwarming zorgt. Bij het verwarmen van de spoel verdampt, afhankelijk van de waterdampdruk in de omgevingslucht, water uit de lithiumchloride-oplossing. Hoe droger de spoel wordt, hoe hoger de weerstand in de oplossing, en hoe lager de stroom door de winding. Hierdoor koelt de spoel weer af. Dit verwarmen en afkoelen bereikt uiteindelijk een evenwichtstoestand, waarbij water niet wordt afgegeven noch opgenomen. De temperatuur op dit punt is direct evenredig met het dauwpunt van de omgevingslucht.
4. Bij een weerstandshygrometer wordt gebruik gemaakt van het feit dat de elektrische weerstand van een vochtopnemend materiaal verandert. Specifieke sensoren worden gebruikt om de elektrische weerstand tussen de elektroden te meten. Dit type resistieve sensor is geschikt voor metingen in de serieproductie en wordt vooral toegepast in huishoudelijke apparaten en consumptiegoederen. Echter, de metingen van deze apparaten zijn bij zeer lage of zeer hoge vochtigheidsniveaus niet bijzonder nauwkeurig.
5. Een capacitatieve hygrometer meet de vochtigheid door gebruik te maken van de verandering in capaciteit van een dunne laag polymeren. Dit type sensor bereikt in de meeste gevallen voldoende nauwkeurigheid en wordt veel in de industrie toegepast. De gepatenteerde Vaisala HUMICAP® vochtigheidssensoren maken gebruik van deze technologie.
6. Een dauwpuntspiegel-hygrometer maakt gebruik van condensatie bij het dauwpunt, wanneer lucht wordt afgekoeld die waterdamp bevat. Daarbij wordt een spiegel afgekoeld tot het dauwpunt van het betreffende gas is bereikt. Bij het bereiken van de condensatiestaat verandert het licht dat door het spiegeloppervlak wordt gereflecteerd. Wanneer het spiegeloppervlak een stabiele toestand bereikt, waarbij verdamping en condensatie gelijktijdig plaatsvinden, is de spiegeltemperatuur gelijk aan de dauwpunt-temperatuur van het omgevingsgas. Dit type sensor wordt vaak gebruikt in onderzoeksinstituten.
De meest gebruikte sensoren in cleanrooms zijn de weerstandshygrometer, de capacitieve hygrometer (dauwpuntweergave) en de dauwpuntspiegel-hygrometer. Bij het kiezen van een geschikt meetinstrument is het belangrijk om niet alleen naar prijs en productspecificaties te kijken, maar ook naar meetnauwkeurigheid, vakkennis van de fabrikant over verschillende toepassingsgebieden en de beschikbare service. Vooral deze factoren dragen bij aan een succesvol gebruik van de apparaten.

Regelmatige en herleidbare kalibraties zijn belangrijk

Het moet altijd worden gegarandeerd dat de door de meetinstrumenten weergegeven waarden betrouwbaar en nauwkeurig zijn. Hiervoor is een regelmatige kalibratie van essentieel belang. Typische kalibratie-intervallen worden weergegeven in tabel 1.
Tabel 2 toont een voorbeeld van een traceerbaarheidsketen voor stationaire vocht- en temperatuurmeters. Wereldwijd zijn alle metingen gebaseerd op het Internationale Stelsel van Eenheden (SI). Met dit systeem wordt gegarandeerd dat overal dezelfde grootheden worden gebruikt en dat metingen met verschillende meetinstrumenten op verschillende locaties vergelijkbaar zijn.
Elke leverancier van kalibratiediensten moet een geldige traceerbaarheidsketen kunnen aantonen. Ten minste één laboratoriumreferentie moet in een extern laboratorium zijn gekalibreerd, dat vervolgens wordt gebruikt voor de interne kalibratie.
In sommige gevallen kan een eigen kalibratie-inrichting binnen het bedrijf zinvol zijn, bijvoorbeeld als het moeilijk is om meetinstrumenten te verplaatsen (kalibratie ter plaatse) of wanneer een groot aantal meetinstrumenten nodig is. Bij het opzetten van een eigen kalibratiedienst is het verstandig een bijbehorende instantie op te richten. Deze kan bestaan uit één persoon of een hele afdeling met de juiste leiding en kalibratiepersoneel.
Een laboratoriumkalibratie heeft altijd de voorkeur boven een kalibratie op locatie. In een laboratorium kunnen de effecten van de omgeving en daarmee het aantal beïnvloedende factoren aanzienlijk worden geminimaliseerd. Kalibraties in bedrijf zijn een snelle en eenvoudige manier om meetinstrumenten te controleren zonder dat ze uit het proces of de ruimte hoeven te worden verwijderd.
Voor dit soort kalibratie is een werknorm als referentie vereist. De werknorm kan een draagbaar of anderszins geschikt meetinstrument zijn dat wordt gebruikt voor de kalibratie van het stationaire apparaat. Werknormen worden gekalibreerd in overkoepelende laboratoria.
Vaisala beschikt over erkende kalibratiediensten voor zijn druk-, temperatuur-, dauwpunt- en vochtmetingen. Deze diensten worden aangeboden via regionale servicecentra. Ze zijn zowel beschikbaar voor reeds geïnstalleerde apparaten als bij de levering van nieuwe apparaten.
Een gratis kalibratiehandleiding van Vaisala kan worden aangevraagd via www.vaisala.com/calibrationbook. Het boek bevat nuttige informatie over alle vragen rondom kalibratie.