DE4301177A1 - UV-Strahlungsdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen UV-Strahlungsdetektor.

Die Detektion von UV-Strahlung ist besonders bei Ver­ brennungsvorgängen von besonderem Interesse, da dort typischerweise eine derartige Strahlung auftritt. Somit können UV-Strahlungsdetektoren zwischen dem Vorliegen einer Verbrennung und dem Vorliegen von Wärme in einer Weise unterscheiden, das bei Infrarot-Strahlungsdetek­ toren, die die Gegenwart von Wärme ungeachtet der Ge­ genwart einer Flamme anzeigen, nicht möglich ist. Sol­ che UV-Strahlungsdetektoren können somit beispielsweise zur Flammenüberwachung von Brennern, insbesondere von Heizungs- oder Kraftwerksbrennern eingesetzt werden. Es sind UV-Photodioden bekannt, die direkt die UV-Strah­ lung detektieren und auf der Basis von Siliziumkarbid aufgebaut sind. Solche Photodioden sind teuer und be­ sitzen eine niedrige Empfindlichkeit.

Die vorliegende Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, einen UV-Strahlungsdetektor anzugeben, der kosten­ günstig herstellbar ist und eine hohe Empfindlichkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 3 gelöst. Hiernach wird die UV-Strahlung mittels eines lumineszierenden Stoffes zu­ nächst in sichtbares Licht konvertiert und anschließend auf die lichtempfindliche Fläche eines für sichtbares Licht empfindlichen Sperrschichtphotodetektors geführt. Der Sperrschichtphotodetektor kann eine Photodiode oder ein Phototransistor sein. Diese Erfindung schafft auf­ grund der kostengünstigen Herstellung von Sperrschicht­ photodetektoren für sichtbares Licht einen billigen UV- Strahlungsdetektor. Insbesondere können durch entspre­ chende Wahl des fluoreszierenden Stoffes Photodioden oder Phototransistoren eingesetzt werden, die im sicht­ baren, insbesondere im roten bis grünen Bereich sehr empfindlich sind.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausbildungsform des erfindungsgemäßen UV-Strahlungsdetektors kann dessen Wirkungsgrad erheblich gesteigert werden, wenn die den lumineszierenden Stoff enthaltende Schicht stabförmig ausgebildet ist. Dabei wird die konvertierte UV-Strah­ lung an den Grenzflächen der Schicht in diese Schicht total reflektiert und tritt auf der Seite des Sperr­ schichtphotodetektors aus dieser Schicht wieder aus.

Um die Fremdlichtselektivität des erfindungsgemäßen UV- Strahlungsdetektors zu erhöhen, kann bei einer vorteil­ haften Weiterbildung eine solarblinde Filterschicht verwendet werden, die verhindert, daß einfallendes Licht von Wellenlänge größer als etwa 300 nm die den fluoreszierenden Stoff enthaltende Schicht erreicht.

Vorteilhafterweise kann als fluoreszierender Stoff ein Erdalkalialuminat oder ein Zinksilikat verwendet wer­ den, die mit Mangan aktiviert grün lumineszieren. Die Verwendung von Cer-Terbium-Magnesiumaluminat führt zur Lumineszenz im gelb-grünen Bereich. Schließlich ist die Verwendung von aktiviertem Magnesiumfluorogermanat oder aktiviertem Yttriumvanadat besonders vorteilhaft, da diese Stoffe im infraroten Bereich lumineszieren.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles im Zusammenhang mit den Zeichnungen dargestellt und erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung mit einem erfindungsgemäßen UV-Strahlungsdetektor,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen UV-Phototransistor,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße UV-Photodiode und

Fig. 4 einen weiteren erfindungsgemäßen UV-Strah­ lungsdetektor.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Der UV-Strahlungsdetektor nach Fig. 1 ist eine Photo­ diode mit einem Sperrschichtphotodetektor 1, der in ei­ nem Gehäuse 2 mit einem Fenster 3 montiert ist. Die von einer Flamme 5 ausgehende UV-Strahlung 6a tritt durch das als Linse ausgebildete Fenster 3 in das Gehäuse 2 ein, wobei das Fenster mit einer einen fluoreszierenden Stoff enthaltenden Schicht 4 bedeckt ist. Diese Schicht 4 transformiert die einfallende UV-Strahlung 6a in sichtbares Licht 6b, dessen Wellenlänge von der Art des verwendeten fluoreszierenden Stoffes abhängt.

Mit Mangan aktiviertes Zinksilikat oder Erdalkalialumi­ nat führt zur Emission im grünen Bereich des sichtbaren Spektrums, während aktiviertes Cer-Terbium-Magnesium­ aluminat im gelb-grünen Bereich fluoreszsiert. Mit aktiviertem Magnesiumfluorogermanat oder aktivierten Yttriumvanadat erreicht man eine Emission im roten Be­ reich des elektromagnetischen Spektrums.

Der Phototransistor nach Fig. 2 enthält ein Planfen­ ster 3, auf dem die den fluoreszierenden Stoff enthal­ tende Schicht 4 aufgetragen ist.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Photodiode, deren Fen­ ster 3 kuppelförmig ausgebildet ist und die den fluo­ reszierenden Stoff enthaltende Schicht 4 trägt.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 3 kann die den fluoreszierenden Stoff enthaltende Schicht 4 auch direkt auf den Sperrschichtphotodetektor 1, also auf den Halbleiterchip aufgebracht werden.

Das als Linse ausgebildete Fenster 3 nach Fig. 1 oder das Planfenster 3 nach Fig. 2 besteht in der Regel aus Glas oder Kunststoff. Bei Verwendung bestimmter trans­ parenter Kunststoffe, wie beispielsweise Polykarbonate enthaltende Polymere, können die fluoreszierende Stoffe diesen Kunststoffen beigefügt werden. Weitere derartige Kunststoffe können aus der Gruppe der Polystyrole, Polyester sowie Acrylsäureester ausgewählt werden. Auch für das Fenster 3 der Photodiode nach Fig. 3 kann ein solcher Kunststoff verwendet werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die Schicht 4 stabförmig ausgebildet. Die in diesen Körper hineingebrochene UV-Strahlung 6a wird in sichtbares Licht 6b konvertiert, das an den Grenzflächen total re­ flektiert und nur an der Seite des Sperrschichtphoto­ detektors in das Fenster 3 eintritt. Die freie Seite der Schicht 4 trägt eine spiegelnde Schicht 4a um zu verhindern, daß dort die konvertierte UV-Strahlung aus­ tritt.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Fenster 3 zusammen mit der stabförmig ausgebildeten Schicht 4 aus einem oben erwähnten transparenten Kunststoff bestehen, dem fluoreszierende Stoffe beigefügt sind.

Ferner kann als stabförmige Schicht 4 auch ein lumines­ zierender Lichtwellenleiter eingesetzt werden.

Bei mancher Anwendung ist es wünschenswert, daß der UV- Strahlungsdetektor "solarblind" ist. Das heißt, da der UV-Bereich und der sichtbare Bereich des elektromagne­ tischen Spektrums einander gegenüberliegen, daß das ge­ wöhnliche sichtbare Sonnenlicht hinunter bis ungefähr 290 nm zum Ansprechen des UV-Strahlungsdetektors führen kann, was den Einsatzbereich des Detektors einschränkt oder auch die Empfindlichkeit vermindern kann.

Deshalb kann auf der den fluoreszierenden Stoff enthal­ tenden Schicht 4 oder auf dem den fluoreszierenden Stoff enthaltenden Fenster 3 eine sogenannte solarblin­ de Filterschicht aufgebracht werden. Derartige Filter können aus einer Vielzahl von wechselnden Schichten aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid aufgebaut werden.

Ein solches Filter verhindert, daß einfallendes Licht von Wellenlängen größer als etwa 290 nm die den fluo­ reszierenden Stoff enthaltende Schicht 4 erreicht.

Der erfindungsgemäße UV-Strahlungsdetektor kann mit Vorteil als Flammwächter für sogenannte "Blaubrenner" in Heizungs- oder Kraftwerksbrennern eingesetzt werden. Ein weiterer Einsatzbereich besteht bei Solarien, zur Kontrolle der von ihnen erzeugten UV-Strahlung. Insbe­ sondere wäre dieser erfindungsgemäße UV-Strahlungs­ detektor in UV-Meßgeräte einsetzbar, die dazu dienen sollen, Personen vor zu langer und schädigender Einwir­ kung erythemwirksamer Strahlung zu schützen, sei es beim Baden oder bei Bergwanderungen.

Claims (8)

1. UV-Strahlungsdetektor, gekennzeichnet durch einen in einem Gehäuse (2) mit Fenster (3) montierten Sperr­ schichtphotodetektor (1) für sichtbares Licht, wobei das Fenster (3) des Gehäuses (2) mit einer einen lumi­ neszierenden Stoff enthaltenden Schicht (4) bedeckt ist.

2. UV-Strahlungsdetektor, gekennzeichnet durch einen in einem Gehäuse (2) montierten Sperrschichtphotodetektor (1) für sichtbares Licht, wobei die strahlungsempfind­ liche Fläche des Sperrschichtphotodetektors (1) mit ei­ ner einen lumineszierenden Stoff enthaltenden Schicht (4) bedeckt ist.

3. UV-Strahlungsdetektor, gekennzeichnet durch einen in einem Gehäuse (2) mit Fenster (3) montierten Sperr­ schichtphotodetektor (1) für sichtbares Licht, wobei das Fenster (3) des Gehäuses (2) als Planfenster oder als Linse ausgebildet ist und aus einem einen lumines­ zierenden Stoff enthaltenden Material besteht.

4. UV-Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die den lumineszierenden Stoff ent­ haltende Schicht (4) stabförmig ausgebildet ist, daß an der Wandung der Schicht (4) Totalreflexion der in diese Schicht (4) hineingebrochenen UV-Strahlung erfolgt und daß die konvertierte UV-Strahlung auf der Seite des Sperrschichtphotodetektors (1) aus der Schicht (4) aus­ tritt.

5. UV-Strahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf den dem Sperrschichtphotodetektor (1) abgewandten Seiten der Schicht (4) eine solarblinde Filterschicht angeordnet ist.

6. UV-Strahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der lumineszie­ rende Stoff ein Erdalkalialuminat oder ein Zinksilikat ist, der jeweils mit Mangan aktivierbar ist.

7. UV-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der lumineszierende Stoff ein aktiviertes Cer-Terbium-Magnesiumaluminat ist.

8. UV-Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der lumineszierende Stoff ein aktiviertes Magnesiumfluorogermanat oder ein aktiviertes Yttriumvanadat ist.