用於監測殺菌波長的能量的紫外線傳感器的製作方法

2023-04-23 07:50:06 2

專利名稱：用於監測殺菌波長的能量的紫外線傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種響應對殺菌應用讀出有效波長而定製的紫外線檢測器。
背景技術：
飲用水、工業用水、純水和廢水處理設備以及空氣淨化器採用發射紫外線的大功率燈來消毒流過燈的水或空氣中的潛在的有害微生物。為了確保紫外光在消毒水或空氣中的微生物過程中的效力，必須讀出燈的輸出功率。這些傳感器可用於控制燈的輸出功率以減少能量消耗，消毒微生物以及確定燈的更換要求。
紫外光的有效殺菌波長的範圍通常在200-300納米(nm)，最大效力在265nm。用於提供該能量的燈通常在超過600nm的更寬的光譜上產生能量。為了保證足夠的能量用於殺菌效力，傳感器測量應限於有效波長中的能量。問題在於開發一種敏感元件，該元件僅對所需要的殺菌波長進行響應並在所需要的強紫外線能量的條件下呈現長壽命。
很大量的燈的光譜強度在300nm之上。因此將檢測器的響應度限制為小於300nm的波長是所希望的。因為隨著時間的推移燈退化或變得汙濁且在短波長範圍內總輸出可能減小，因此重要的是監測300nm以下的光強度。否則，殺毒可能變得不徹底。
目前的廢水處理系統採用矽或碳化矽(SiC)光電探測器，其對寬範圍的紫外光敏感以讀出穿透被處理材料(水或空氣)的光功率量以控制燈的輸出功率。對燈的這種控制用於將能量消耗最小化，確保對細菌的消毒並用於確定何時需要更換燈。
當前的矽傳感器檢測比峰值處於約1000nm的紅外線的有效殺菌波長更寬的寬波長範圍上的能量。因為在紅外線範圍中的靈敏度比在紫外線範圍內的靈敏度更高，因此該寬的響應將複雜的衰減要求施加在任何附加的濾波器上。另外，由於在強紫外光下的快速惡化，這些器件呈現非常短的預期壽命。由於為了檢測紫外(UV)光Si探測器要求添加磷光體這一事實，所以很容易出現上述情況。在根據有效消滅細菌所要求的由UV燈產生的高強度下，這些磷光體退化。
SiC光電二極體的出現提供了一種在不需要濾波器的情況下監測該紫外線能量的有效方法。SiC光電二極體的光譜響應很大程度地限制為200-400nm，峰值約270nm(圖1)。已證明SiC光電二極體在強紫外光下具有非常長的壽命。但是，殺菌波長(300-400nm)外的UV光譜可包含來自燈的強能量峰，該能量峰降低了對殺菌有效波長的強度的監測精度。圖1示出的SiC光電二極體的響應度已經降低了SiC光電二極體對300nm以上燈輸出的靈敏度。但是SiC光電二極體對於300-400nm之間的那些波長仍將產生顯著的輸出光電流。因此，消除對300nm以上波長的響應將是所希望的。

發明內容
在本發明的實例性實施例中，提供一種紫外線傳感器用於監測用於消滅微生物的預定波長的能量。該傳感器包括對寬範圍紫外光敏感的紫外線光電探測器，布置在一住置以截取指向紫外線光電探測器的光的濾波器。該濾波器被配置為阻擋預定波長範圍外的波長的光。
在本發明的另一實例性實施例中，用於監測消毒系統中使用的紫外線燈的效力的紫外線傳感器包括配置用於檢測波長在200-300nm之間的光的彼此協作的紫外線光電探測器和濾波器。
在本發明的再一個實施例中，用於空氣或水的淨化系統包括將紫外光指向空氣或水的紫外線燈和本發明的紫外線傳感器。
在本發明的又一個實施例中，淨化空氣或水的方法包括以下步驟用紫外線燈將紫外光指向空氣或水；提供包括配置用於檢測波長在200-300nm之間的光的彼此協作的紫外線光電探測器和濾波器的紫外線傳感器；以及根據來自紫外線傳感器的信號監測紫外線燈的效力。


圖1是示出常規碳化矽光電二極體響應度與波長關係的曲線；圖2是示出由SiC光電二極體響應度改性的燈譜的曲線；圖3是示出具有塗敷到頂面的多層的介質濾波器的碳化矽光電二極體的橫截面示意圖；圖4說明具有與光電二極體分開的濾波器的探測器的替換結構；圖5是示出對最佳的濾波器透射特徵的預測的曲線；
圖6是示出濾波器對SiC光電二極體響應度的作用以消除對300nm以上的燈發射的響應的曲線；圖7是示出探測器實例性應用的控制迴路示意圖；圖8是示出添加了用於周期性地測試光電二極體的功能性的諸如UV LED的紫外線光源的光電二極體外殼的示意圖；以及圖9示出可移動反射快門在測試傳感器窗的透明度方面的應用。
具體實施例方式
圖3示出本發明的探測器10的示意性橫截面圖，該探測器包括具有塗敷到頂面的多重介質濾波器14的SiC光電二極體12。該介質濾波器14優選澱積在SiC光電二極體12的表面上以將其響應定製用於有效監測紫外線範圍內的特定光譜帶。使用碳化矽和澱積的(多個)濾波器將提供能夠在強紫外線輻射下具有長壽命的穩固的探測器10。在圖3中，提供實例SiC光電二極體的橫截面。這裡，封裝頭部16用作光電二極體晶片的固定件。管芯接合金屬18用於將光電二極體保持在位。SiC襯底20和外延層22、25包括該光電二極體實例的半導體部分。這裡，n+(負)24和p-(正)22外延層用於有效地收集由預先規定的波長的紫外光導致的光產生的載流子。光學濾波器14可以由前面提到的材料組成，並且在該實施例中，是晶片的整體部分。至少部分地由Au構成的觸頭金屬26用於為器件提供低的電阻接觸，並且通過使用到這些通常也為Au的觸點的引線接合28接觸到光電二極體封裝引線。
優選，任一已知的濺射技術可用於澱積介質濾波器，並因此不再進一步說明澱積工藝的細節。其他合適的澱積方法對於本領域普通技術人員也是顯而易見的，並不意在將本發明限於所描述的實例性應用。或者，參照圖4，不附於光電二極體的單獨的濾波器32可以置於接收通過透鏡34輸入的光的SiC光電二極體12的前面，元器件包含在具有UV透明窗38的外殼36中。該布置雖然可行但沒有利用集成，集成允許同時製造整體濾波器在適當位置的多個光電二極體。通過在處理順序中包括濾波器，可以容易地完成具有整體濾波器的光電二極體的製造。例如，對於介質材料可以在一個澱積步驟中塗覆～1000或更多的器件，由此大大降低了最終器件的成本。
在一個單獨的構造中，濾波器材料優選澱積在諸如石英或藍寶石的UV透明襯底上，然後被切削到應有的尺寸或整體使用並插入在光路中。
再一個實施例可以利用更昂貴、複雜且較小實用性的光學分光計或光電分光計(photospectrometer)，帶有或不帶有光纖輸入，和/或光電倍增管。這些選項需要濾波器或者軟體以確定燈功率在200-300nm所關心的範圍內。
碳化矽特別適合於光電二極體12，因為其響應曲線覆蓋了所關心的光譜。替換的光電二極體材料可以是AlGaN，可以將其製造為在更短的波長截止。例如，GaN光電二極體具有在365nm處的截止。添加約26％的Al來製造AlGaN光電二極體可以得到300nm的截止。然而，目前還不能從市場上買到優質的AlGaN光電二極體。相反，已良好地建立並易於得到SiC光電二極體。目前優選SiC光電二極體，雖然在未來AlGaN光電二極體可以用或不用濾波器來進行相同的功能。仍可有其他的材料適於光電二極體，例如矽、磷化砷化鎵(gallium arsenidephosphode GaAsP)、氧化鋅(ZnO2)、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)和氮化銦鎵(InGaN)。或者，紫外線光電探測器可以是光電倍增管。優選，組合的紫外線光電探測器和濾波器的響應度對應於微生物紫外線消毒對例如水或空氣這樣的特殊介質特定的效力。或者，可以使用光電分光計，這將不需要前述的那種光學濾波器。在此情況下，分光計提供了光電二極體的陣列，其中每個光電二極體讀出特定的波長。然而，光電分光計比基於半導體的光電探測器更昂貴，因此優選半導體光電二極體。
濾波器14優選是短波長濾過器，它將在300nm截止。在一個實施例中，濾波器包括多層的、由SiO2、HfO2、SiO2和/或Si3N4交替層構成的介質濾波器。材料的其他組合也是適合的。可以製造濾波器14具有窄帶寬特性，以監測紫外線燈的譜線組。這樣一種選擇性的帶通濾波器可優選是例如以254nm為中心。254nm線是Hg弧光燈的強線(intense line)。也可以採用利用摻雜稀土元素的玻璃(Shott濾波器)或半導體材料的濾波器，所述半導體材料是諸如GaAsP、ZnO2、AlInGaN、GaN、AlGaN、InGaN、AlN或它們的組合。
圖5示出基於典型的SiC光電二極體的靈敏度(響應度)(方形點劃線)和對於這些系統典型的適合於消滅細菌的光(輻射)的有效波長帶(菱形點劃線)的最佳的濾波器透射特性。對於最佳的濾波器特性的預測從高強度水銀燈(中心輻射在254nm)獲取典型的光輸出，並允許光電二極體僅響應最有效的殺傷帶(中心處於265nm)。
這是「最佳」設計的一個實施例，其提議最佳響應度曲線具有接近258nm的中心響應波長。當然，當置於光路中在其響應度快速下降到低於270nm的SiC光電二極體的前面時，任何阻擋300nm以上輻射的濾波器都可以是合適的。
圖6中的方形點劃線示出典型的水銀燈譜的輸出。注意，發射峰在254nm。已模擬阻擋300nm以上的輻射的濾波器的一個原理(三角點化線)，其消除了對300nm以上光的(如光電二極體所讀出的)靈敏度。該光(300nm以上)基本上是無用的，並可能對評估燈的條件即其殺傷/消毒細菌的效力沒有益處。
經濾波的SiC光電二極體被連接到信號調節電路，以提供特定應用所需要的電流、電壓頻率或數字輸出。
來自消毒燈的光通過要被消毒的介質(水或空氣)並照射到濾波器上，然後由探測器10測量。濾波器和傳感器的組合僅測量對消滅微生物有效的光波長。其增益由反饋網絡確定的電流電壓放大器放大光電二極體信號。該網絡能夠提供可調增益用於校準。來自放大器的輸出可被轉換為工業標準電流輸出，或轉換為所需要的電壓、頻率或數字輸出。
在一個實施例中，參考圖7，探測器10用作包括諸如CPU等的處理器和紫外線等44的控制迴路的一部分。處理器42接收來自紫外線傳感器10的信號並根據紫外線傳感器信號控制紫外線等44的輸出。以這種方式，可以監測紫外線燈44的效力並可實時控制燈輸出。此外，參考圖8，可以利用發射200-300nm光的附加紫外線光源46，使得其發射可以由光電二極體12讀出。該UV光源46可用於偶爾測試光電二極體，並確定其在時間過程上的功能性。該附加紫外線光源46可例如是UV LED器件，其可用非整體的或整體的濾波器測試光電二極體。此外，如圖9所示，反射可動板48和快門50可恰好安裝在窗外與再一個UV發射器52和不透明牆54組合以便測定窗塗層。
本發明的傳感器適用於紫外線消毒工業，以便監測提供在殺菌譜中的能量。傳感器確保在合適波長的足夠能量總是可用於有效的消毒。信號可用於控制燈輸出並用於不適當的紫外線水平的報警。
雖然已結合目前被認為是最實用和優選的實施例對本發明進行了說明，應該理解，本發明不限於所公開的實施例，相反，本發明意在覆蓋包括在所附權利要求的精神和範圍內的各種變型和等效方案。
權利要求
1.一種紫外線傳感器，用於監測用於消滅微生物的預定波長的能量，該傳感器包括對寬範圍紫外光敏感的紫外線光電探測器(12)；布置在截取指向紫外線光電探測器的光的位置處的濾波器(14，32)，該濾波器被配置為阻擋處於所述預定波長外的波長的光。
2.根據權利要求1的傳感器，其中該傳感器(14，32)被配置為允許200和300nm之間的波長的光通過。
3.根據權利要求2的傳感器，其中紫外線光電探測器(12)是光電二極體。
4.根據權利要求3的傳感器，其中紫外線光電探測器(12)是碳化矽光電二極體。
5.根據權利要求3的傳感器，其中紫外線光電探測器(12)是從由矽、磷化砷化鎵(GaAsP)、氧化鋅(ZnO2)、氮化鋁(AlN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)和氮化銦鎵(InGaN)所組成的組中選擇的一個材料的光電二極體。
6.根據權利要求2的傳感器，其中紫外線光電探測器(12)是光電倍增管。
7.根據權利要求1的傳感器，其中濾波器(14，32)是具有從約220nm到300nm的帶通區域的帶通濾波器。
8.根據權利要求1的傳感器，其中組合的紫外線光電探測器(12)和濾波器(14，32)的響應度對應於對特殊介質特定的紫外線消滅微生物的效力。
9.根據權利要求1的傳感器，其中通過將濾波器(14)澱積在紫外線光電探測器(12)上將該濾波器形成為該紫外線光電探測器的整體部件。
10.根據權利要求1的傳感器，其中濾波器(32)在紫外線光電探測器(12)的外部。
全文摘要
一種紫外線傳感器(10)，監測在消毒系統中使用的紫外線燈的效力。該傳感器包括被配置為用於檢測200－300nm波長的光的協同操作的紫外線光電探測器(12)和濾波器(14，32)。用於空氣或水的淨化系統結合將紫外光指向空氣或水的紫外線燈(44)使用該傳感器。
文檔編號G01J1/04GK1538151SQ20041003297
公開日2004年10月20日 申請日期2004年4月14日 優先權日2003年4月14日
發明者D·M·布朗, K·馬託查, P·M·桑維克, L·羅姆巴多, D M 布朗, 桑維克, 脅, 釩投 申請人:通用電氣公司