Mini-Dosimeter für UV-Strahlung mit Eigenspeisung und Warnsignalausgabe
[Beschreibung]
Die Erfindung betrifft ein flaches, flexibles sowie preisgünstig herstellbares UV-Dosimeter, das nach Erreichen einer bestimmten Dosis in Abhängigkeit von Bestrahlung und Bestrahlungsdauer entweder einen Messwert anzeigt und/oder ein Warnsignal abgibt. Das Dosimeter arbeitet ohne zusätzliche Stromquelle, wie z.B. eine Batterie. Es kann platzsparend direkt an der exponierten Oberfläche angebracht werden.
[Stand der Technik]
Bekannte UV-Dosimeter basieren häufig auf fotochromen Schichten, die bei Bestrahlung ihre Farbe ändern. Solche Dosimeter können als Einwegartikel preiswert in Form kleiner Teststrei- fen hergestellt werden. Sie besitzen aber keine Warnfunktion bzw. erlauben keine quantitative Messung. Bei rein visueller Auswertung erhält man praktisch nur eine qualitative Aussage durch Vergleich mit einer Referenzfarbskala. Zwar bekommt man mittels fotometrischer Auswertung auch quantitative Aussagen, jedoch bedarf es dazu eines zusätzlichen Messvorganges mit einem geeigneten Messgerät. Für die Dosisbestimmung in strahlenhärtenden Verfahren in der Druck- und Beschichtungs- industrie wird dieses System von der Firma Hönle AG unter dem Namen UV Scan angeboten. Jedoch ist dieses Dosimeter insbe- sondere für portable Anwendungen im Freizeitbereich (z.B. Outdooraktivitäten) oder im Arbeitsschutz in exponierter Umgebung (Baustellen, Landwirtschaft) eher hinderlich. Bekannte elektronische Dosimeter basieren auf einem UV- sensitiven Bauelement, wie z.B. einer Fotodiode. Diese ist
Bestandteil einer elektronischen Schaltung, welche die vom UV-Sensor generierte Ladung über die Messzeit integriert und schließlich die gemessene Dosis zur Anzeige bringt. Beispiele dazu findet man in US 4428050, US 3710115, DE 4012984 und DE 4317405, wobei die Angaben zu den Schaltungen unterschiedlich detailliert sind. Zusätzlich oder alternativ zur Messwertanzeige können die Dosimeter noch mit einer optischen oder akustischen Warnfunktion versehen sein, die aktiviert wird, wenn ein bestimmter Sollwert erreicht ist (US 4428050, US 3710115, DE 4317405) . Diese Schaltungen werden mit diskreten Bauelementen aufgebaut und sind deswegen nicht beliebig kompakt und preiswert herzustellen. Darüber hinaus benötigen sie eine Stromversorgung (Netzanschluss, Batterie o.a.). In WO8603319 wir eine energieautarke Schaltung für ein elektronisches UV-Dosimeter mit einer elektroakustischen Warnfunktion beschrieben. Die Schaltung beinhaltet einen optischen Sensor, Widerstände, Kondensatoren, einen Vorstärker, einen Komparator, Schalter, Dioden, einen Piezowandler und eine Solarzelle zur Energieversorgung. Zur Herstellung der Schaltung werden keine Angaben gemacht. Die Schaltung befindet sich in einem Gehäuse mit Fenster und ist somit ebenfalls nicht flach, flexibel und auch nicht wirklich preiswert . In DE 69102804 wird ein anderes elektronisches Dosimeter für Gamma-, UV-, Röntgen- oder Teilchenstrahlen, bestehend aus einem Detektor, einer Kalenderuhr, einem Speicher, einem Mikroprozessor, einer Energieversorgung, einem Display und/oder einem Alarm beschrieben. Die Schaltung wird mit diskreten Bauelementen aufgebaut und kann z.B. in eine Scheckkarte integriert werden. Damit ist auch dieses
Dosimeter aber noch nicht wirklich klein und preiswert. In dem Gebrauchsmuster G9313246.8 wird ein UV-Dosimeter mit einem Fotodetektor aus einem Halbleiter mit einem Bandabstand größer als 2,25 eV, einer Eingabeeinrichtung, einer Signal-
Verarbeitung und einer optischen und/oder akustischen Ausgabeeinrichtung beansprucht. Weitere Elemente dieses Dosimeters können sein: Linsen, Speicher, Solarzelle zur Energie¬ versorgung, Filter. Dieses Dosimeter lässt sich miniaturi- sieren und z.B. in Scheckkarten, Uhren, Brillen, Dosen oder Bekleidung anbringen. Auf Grund des diskreten Aufbaus ist es jedoch nicht ausreichend preiswert, dünn und flexibel. Eine andere Lösung beschreibt WO 0118510, bei welcher das Dosimeter in eine Armbanduhr integriert ist. Nachteilig ist hier, dass man zur Dosismessung erst eine entsprechend ausgerüstete Armbanduhr erwerben müsste.
[Aufgabe der Erfindung]
Die Erfindung betrifft ein Dosimeter zur Bestimmung der Dosis an UV-Strahlen, die auf einen Menschen oder ein Objekt einwirken. Dies ist z.B. von Bedeutung beim Sonnenbaden unter natürlichem oder künstlichen Sonnenlicht, sonstigen Freizeitoder Arbeitsaktivitäten im Freien oder in technischen Prozessen, bei denen UV-härtende Materialien verarbeitet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein flaches, flexibles und preiswertes UV-Dosimeter von einfacher und kleiner Bauart für den mobilen Einsatz zu schaffen, welches ohne zusätzliche Stromversorgung auskommt und den Dosiswert anzeigt oder bei Überschreiten eines bestimmten Wertes ein Warnsignal abgibt. Ziel der Erfindung ist es letztlich, die Vorteile eines fotochromen Teststreifens, welcher kompakt und flexibel und zugleich preiswert ist, mit denen eines elektronischen Dosimeters mit einer integrierten Alarmfunktion bzw. Anzeige eines Messwertes zu vereinen. In der Gestalt eines kleinen Teststreifens kann das erfindungsgemäße UV-Dosimeter Teststreifens platzsparend am Körper, der Kleidung oder Gegenständen angebracht werden. So befindet es sich, ohne dass es dort stört, vorteilhafterweise direkt auf der
exponierten Oberfläche und kann so die dort auftreffende Dosis messen. Sind mehrere Flächen eines Körpers unterschiedlichen Dosen ausgesetzt, so kann jede der Flächen mit einem Streifendosimeter bestückt werden. Klein bedeutet eine Fläche des flexiblen Streifendosimeters von weniger als 10 cm2, bevorzugt weniger als 5 cm2 und eine Gesamtdicke von maximal 200 um, bevorzugt kleiner als 100 μm. Auf Grund der geringen Fertigungskosten ist es für den einmaligen Gebrauch geeignet .
Die Lösung der Aufgabe wird dadurch erreicht, dass das Dosimeter als monolithisch integrierte Schaltung in Dünnschichttechnik auf einem flexiblen Trägerelement, beispielsweise einer Kunststofffolie vorliegt. Der Begriff monoli- thisch integrierte Schaltung bedeutet hierbei, dass alle erforderlichen elektronischen und optoelektronischen Bauelemente in Form von dünnen strukturierten funktionellen Schichten auf dem flexiblen Trägermaterial abgeschieden werden. Als lichtempfindliches Element wird eine Dünnschichtsolarzelle verwendet, welche einen ebenfalls in Dünnschichttechnik hergestellten Kondensator lädt. Dünne funktionelle Schichten im Sinne der Erfindung haben Schichtdicken von ca. 1 um und darunter. Die Gesamtschichtdicke eines aus mehreren funktionellen Schichten aufgebauten elektronischen Bauelements soll- te 10 μm nicht überschreiten (ohne Substrat und Verkapse- lung) .
Die Spannung am Kondensator wächst mit der Zeit in Abhängigkeit von der Bestrahlung. Dieser Wert kann mit einem kleinen Display zur Anzeige gebracht werden, wobei die Dosiswerte aus den Spannungswerten über eine Eichung ermittelt werden. Das Display kann z.B. eine OLED (organische Leuchtdiode)-, ein elektrochromes oder ein elektrophoretisches Display sein, welches ebenfalls in Dünnschichttechnik in das Foliensubstrat integriert wird. Eine Ansteuerschaltung für das Display lässt
sich mittels Dünnschichttransistoren (TFT) realisieren. Zusätzlich oder an Stelle des Displays kann auch ein elektroakustisches oder elektrooptisches Bauelement integriert werden, welches bei Erreichen eines Schwellwertes ein Signal aussendet. Ein elektroakustischer Signalgeber kann z.B. ein dünner Piezoschwinger sein, der mit einer Oszillatorschaltung, bestehend aus Dünnschichttransistoren, angeregt wird. Ein elektrooptischer Signalgeber kann z.B. eine einzelne OLED sein. Um den Kondensator beim Betrieb des Signalgebers nicht zu stark zu belasten, sollte zum Treiben des Signalgebers ein Dünnschichttransistor eingefügt werden. Für die Energieversorgung des Displays oder Signalgebers lässt sich eine zweite Solarzelle oder eine Reihenschaltung von Solarzellen (Solarmodul) integrieren, welche im Gegensatz zur UV-sensitiven Solarzelle auch über einen größeren
Spektralbereich empfindlich sein kann und vorteilhafterweise auch über eine größere Fläche verfügt.
Um eine lineare Abhängigkeit der Spannung von Bestrahlung und Zeit zu erreichen, ist es vorteilhaft, den Kondensator über einen Operationsverstärker zu laden. Der Operationsverstärker, welcher mit Dünnschichttransistoren realisiert werden kann, bildet mit dem Kondensator und einem Widerstand einen Integrator. Die spektrale Empfindlichkeit der Solarzelle ist bevorzugt so einzustellen, dass sie UV-Licht absorbiert, im sichtbaren Spektralbereich aber unempfindlich ist. Dies kann erreicht werden durch geeignete Auswahl des absorbierenden Halbleitermaterials, welches eine große Bandlücke (größer ca. 3 eV) aufweisen sollte. Alternativ oder parallel dazu können durch Spektralfilter nicht relevante Teile des LichtSpektrums ausgeblendet werden. Weiterhin können Teile des UV-Spektrums, insbesondere aus dem UV-B-Bereich, in denen die Solarzelle nicht genügend empfindlich ist, durch Fluoreszenzstoffe in längerwelliges Licht umgewandelt werden.
Durch eine geeignete Dimensionierung der Bauelemente (Solarzelle, Kondensator, Widerstände) können Dosimeter für verschiedene Messbereiche bzw. Schwelldosiswerte realisiert werden. Im Allgemeinen ist es auch erforderlich, mehrere Solarzellen in Reihe zu schalten, um die zum Treiben der aktiven Bauelemente (z.B. Transistoren, OLED, Piezoschwinger, Display) erforderlichen Spannungen bereit zustellen. Die zur Herstellung der Dϋnnschichtbauelemente erforderlichen Funktionsmaterialien (Halbleiter, Leiter, Isolatoren) können sowohl organischer Natur (z.B. konjugierte Polymere oder Oli- gomere, Fullerene) als auch anorganischer Natur (Metalle, transparente leitende Oxide (z.B. ITO, ZnO)) und auch Kompo- site aus organischen und anorganischen Materialien sein. Für die Fertigung können die bekannten Dünnschichtbeschich- tungs- und -strukturierungsprozesse wie Drucken, Rakeln, Freifallbeschichtung, Gießbeschichtung, Tauchbeschichtung, Elektrodeposition, spin coating, Bedampfen (PVD, CVD) , Sputtern, Lithografie, Laserstrukturierung u.a. genutzt werden. Im Sinne einer preiswerten Fertigung werden solche Materialien und Prozesse bevorzugt, die eine hochproduktive, energieeffiziente und kostengünstige Fertigung ermöglichen. Insbesondere lösliche organische Materialien in Kombination mit Nassbeschichtungs- bzw. Druckprozessen erscheinen besonders geeignet. Der gesamte Schaltungsaufbau wird bei Bedarf mittels transparenter Hochbarriereschichten oder -folien gekapselt. Dies ist insbesondere erforderlich, wenn Solarzellen, OLEDs und TFTs aus organischen Materialien zum Einsatz kommen. Zur besseren Haftung an Personen oder Gegenständen kann die Rückseite des Sensors mit einer Kleberschicht beaufschlagt werden, so dass der Sensor ähnlich einem Pflaster oder einem Klebestreifen benutzt werden kann.
Beispiel 1
Dieses Beispiel zeigt eine Variante des UV-Sensors, bestehend aus einer UV-empfindlichen Solarzelle 1 und mehreren Solarzellen 2 zur Energieversorgung, einem Kondensator 4, einem Widerstand 3, einem Anreicherungs-Feldeffekttransistor 5 und einer organischen Leuchtdiode 6 (Bild 1) . Alle Bauelemente werden gemäß der Erfindung in Dünnschichttechnologie mit organischen und/oder anorganischen Funktionsmaterialien auf einer flexiblen Unterlage hergestellt. Die erste Solar- zelle 1 lädt den Kondensator 4, wodurch mit zunehmender Dosis die Spannung am Kondensator 4 und am Gate des Transistors 5 wächst. Indem der Transistor leitend wird, nimmt der Spannungsabfall über der zunächst noch nicht leitenden Leuchtdiode 6 zu. Übersteigt dieser Spannungsabfall die Schwell- Spannung der Leuchtdiode, so wird auch diese leitend und beginnt zu leuchten. Ein zweites Solarmodul, bestehend aus einer Reihenschaltung von Solarzellen 2, welche auch im sichtbaren und infraroten Spektralbereich absorbieren können, dient der Stromversorgung des Transistors und der OLED. Durch geeignete Dimensionierung aller Bauelemente kann man den
Dosiswert, bei dem die LED zu leuchten beginnt, einstellen.
Beispiel 2
Dieses Beispiel zeigt eine Variante des UV-Sensors mit linearisierter Kennlinie, bestehend aus einer oder mehreren UV-empfindlichen Solarzellen 11, einer oder mehreren Solarzellen 12 zur Energieversorgung, einem Kondensator 14, einem Widerstand 13, einem Operationsverstärker 15 und einer organischen Leuchtdiode 16 (Bild 2) . Um die Betriebsspannung für den Operationsverstärker 15 bereit zu stellen, wird ein zweites Solarmodul 12, bestehend aus mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen, integriert. Diese Solarzellen können im Unterschied zu den UV-sensitiven Solarzellen 11 in einem
größeren Spektralbereich absorbieren und auch eine größere Fläche besitzen. Der Operationsverstärker 15 besteht aus Dünnschichttransistoren und passiven Dünnschichtbauelementen. Operationsverstärker 15, Widerstand 13 und Kondensator 14 bilden einen Integrator, dessen Ausgangsspannung proportional zu Größe und Dauer des anliegenden Eingangssignals wächst. Übersteigt die Ausgangsspannung am Operationsverstärker 15 die Schwellspannung der OLED 16, so beginnt diese zu leuchten.
Beispiel 3
Ein Solarmodul, bestehend aus fünf in Reihe geschalteten polymeren Dünnschichtsolarzellen mit der fotoaktiven Schicht Poly-3-hexylthiophen/ [6, 6] -Phenyl-C6i-Butyrsäuremethylester (Schichtdicke 100 nm) , wird mit einem Kondensator der
Kapazität 1000 μF verbunden. Das Maximum der Empfindlichkeit dieser Solarzelle liegt bei einer Wellenlänge von 500 nm. Weiterhin wurde das Solarmodul mit einem UV-Filter versehen, welcher nur Wellenlängen zwischen 300 nm und 400 nm (Maximum bei 360 nm) durchlässt. Die Bestrahlung erfolgte mit einer Normlichtquelle AM 1.5 mit einer Bestrahlung von 100 mW/cm2. Auf Grund des Filters treffen auf die fotoaktive Schicht nur ca. 4,5 mW/cm2. Die Spannung des Kondensators wächst zunächst proportional mit der Zeit an und erreicht schließlich einen Sättigungswert (Bild 3) .
Beispiel 4
In dem Aufbau aus Beispiel 3 wurde der Kondensator durch einen 5 μF-Kondensator ersetzt und zusätzlich ein 5 MΩ Widerstand in Reihe geschaltet. Die Spannungs-Zeit-Kurve ist ähnlich wie in Beispiel 3, jedoch ist die Ladezeit bis zum Erreichen der Sättigung deutlich verkürzt (Bild 4) .
[Bezugszeichenliste] 1 UV-empfindliche Solarzelle 2 Solarzelle zur Energieversorgung
3 Widerstand
4 Kondensator
5 Anreicherungs-Feldeffekttransistor
6 organische Leuchtdiode 11 UV-empfindliche Solarzelle
12 Solarzelle zur Energieversorgung
13 Widerstand
14 Kondensator
15 Operationsverstärker 16 organische Leuchtdiode