EP2183557A1 - Mini-dosimeter for uv radiation having internal power supply and warning signal output - Google Patents

Mini-dosimeter for uv radiation having internal power supply and warning signal output

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EP2183557A1
EP2183557A1 EP08801227A EP08801227A EP2183557A1 EP 2183557 A1 EP2183557 A1 EP 2183557A1 EP 08801227 A EP08801227 A EP 08801227A EP 08801227 A EP08801227 A EP 08801227A EP 2183557 A1 EP2183557 A1 EP 2183557A1
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EP
European Patent Office
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dosimeter
mini
radiation
radiation according
solar cell
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Ceased
Application number
EP08801227A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Mario SCHRÖDNER
Hannes Schache
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Thueringisches Institut fuer Textil und Kunststoff Forschung eV
Original Assignee
Thueringisches Institut fuer Textil und Kunststoff Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP2183557A1 publication Critical patent/EP2183557A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/429—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to measurement of ultraviolet light

Definitions

  • the invention relates to a flat, flexible and inexpensively producible UV dosimeter, which displays after reaching a certain dose depending on irradiation and irradiation either a measured value and / or emits a warning signal.
  • the dosimeter works without additional power source, e.g. a battery. It can be installed directly on the exposed surface to save space.
  • UV dosimeters are often based on photochromic layers that change color upon irradiation. Such dosimeters can be produced inexpensively as disposable articles in the form of small test strips. But they have no warning function or do not allow quantitative measurement. In the case of purely visual evaluation, practically only a qualitative statement is obtained by comparison with a reference color scale. Although you get by means of photometric evaluation and quantitative statements, but it requires an additional measurement process with a suitable meter. For dose determination in radiation-curing processes in the printing and coating industry, this system is offered by Hönle AG under the name UV Scan. However, this dosimeter is more of a hindrance in particular for portable applications in the leisure sector (eg outdoor activities) or in occupational safety in exposed environments (construction sites, agriculture).
  • Known electronic dosimeters are based on a UV-sensitive component, such as a photodiode. This is Part of an electronic circuit that integrates the charge generated by the UV sensor over the measurement time and finally displays the measured dose. Examples can be found in US 4428050, US 3710115, DE 4012984 and DE 4317405, wherein the information on the circuits are different in detail. Additionally or alternatively to the measured value display, the dosimeters can still be provided with an optical or audible warning function, which is activated when a specific nominal value is reached (US Pat. No. 4,402,850, US Pat. No. 3,710,115, DE 4317405). These circuits are constructed with discrete components and are therefore not arbitrarily compact and inexpensive to manufacture.
  • WO8603319 we describe an energy self-sufficient circuit for an electronic UV dosimeter with an electro-acoustic warning function.
  • the circuit includes an optical sensor, resistors, capacitors, a preamplifier, a comparator, switches, diodes, a piezo-transducer and a solar cell for power supply. For the production of the circuit no information is given.
  • the circuit is located in a housing with window and is therefore also not flat, flexible and not really cheap.
  • DE 69102804 describes another electronic dosimeter for gamma, UV, X-ray or particle beams, consisting of a detector, a calendar clock, a memory, a microprocessor, a power supply, a display and / or an alarm.
  • the circuit is constructed with discrete components and can be integrated eg in a check card. This is also this
  • Utility Model G9313246.8 discloses a UV dosimeter with a photodetector made of a semiconductor with a band gap greater than 2.25 eV, an input device, a signal Processing and an optical and / or acoustic output device claimed.
  • Other elements of the dosimeter can be: lentils, storage, solar cell for power supply ⁇ , filter.
  • This dosimeter can be miniaturized and used eg in check cards, watches, spectacles, cans or clothing. Due to the discrete structure, however, it is not sufficiently inexpensive, thin and flexible.
  • Another solution describes WO 0118510, in which the dosimeter is integrated into a wristwatch. The disadvantage here is that you would have to acquire a suitably equipped wristwatch for dose measurement.
  • the invention relates to a dosimeter for determining the dose of UV rays which act on a human or an object. This is e.g. of importance when sunbathing under natural or artificial sunlight, other leisure or work activities outdoors or in technical processes where UV-curing materials are processed.
  • the object of the invention is to provide a flat, flexible and inexpensive UV dosimeter of simple and small design for mobile use, which manages without additional power and displays the dose value or emits a warning signal when a certain value is exceeded.
  • the aim of the invention is ultimately to combine the advantages of a photochromic test strip, which is compact and flexible and at the same time inexpensive, with those of an electronic dosimeter with an integrated alarm function or display a measured value.
  • the UV test strip according to the invention can be attached to the body, clothing or articles in a space-saving manner. So it is, without being bothered there, advantageously directly on the exposed surface and can thus measure the dose striking there.
  • each of the surfaces can be equipped with a strip dosimeter.
  • Small means an area of the flexible strip dosimeter of less than 10 cm 2 , preferably less than 5 cm 2, and a total thickness of at most 200 ⁇ m, preferably less than 100 ⁇ m. Due to the low production costs, it is suitable for single use.
  • the dosimeter is present as a monolithic integrated circuit in thin-film technology on a flexible support member, such as a plastic film.
  • monolithically integrated circuit means in this case that all required electronic and optoelectronic components are deposited in the form of thin structured functional layers on the flexible carrier material.
  • the photosensitive element used is a thin-film solar cell which charges a capacitor which is likewise produced using thin-film technology.
  • Thin functional layers according to the invention have layer thicknesses of about 1 ⁇ m and below. The total layer thickness of an electronic component made up of several functional layers should not exceed 10 ⁇ m (without substrate and encapsulation).
  • the voltage across the capacitor increases with time as a function of the irradiation.
  • This value can be displayed with a small display, whereby the dose values from the voltage values are determined via a calibration.
  • the display can be, for example, an OLED (organic light-emitting diode), an electrochromic or an electrophoretic display, which likewise is integrated into the film substrate in thin-film technology.
  • a drive circuit for the display leaves be realized by means of thin film transistors (TFT).
  • TFT thin film transistors
  • An electroacoustic signal generator may be, for example, a thin piezoelectric oscillator, which is excited by an oscillator circuit consisting of thin-film transistors.
  • An electro-optical signal generator can be, for example, a single OLED.
  • a thin-film transistor should be inserted to drive the signal generator.
  • a second solar cell or a series connection of solar cells can be integrated, which in contrast to the UV-sensitive solar cell via a larger solar cell
  • Spectral range can be sensitive and advantageously also has a larger area.
  • the operational amplifier which can be realized with thin-film transistors, forms an integrator with the capacitor and a resistor.
  • the spectral sensitivity of the solar cell is preferably adjusted so that it absorbs UV light, but is insensitive in the visible spectral range. This can be achieved by suitable selection of the absorbing semiconductor material, which should have a large bandgap (greater than about 3 eV). Alternatively or in parallel, parts of the light spectrum which are not relevant by means of spectral filters can be masked out.
  • parts of the UV spectrum in particular from the UV-B range, in which the solar cell is not sufficiently sensitive, can be converted by fluorescent substances into longer-wave light.
  • suitable dimensioning of the components solar cell, capacitor, resistors
  • dosimeters for different measuring ranges or threshold dose values can be realized.
  • the functional materials (semiconductors, conductors, insulators) required for the production of the thin-film components can be of organic nature (eg conjugated polymers or oligomers, fullerenes) as well as of an inorganic nature (metals, transparent conductive oxides (eg ITO, ZnO)) and also composites. site of organic and inorganic materials.
  • the known thin film coating and structuring processes such as printing, doctor blading, free-fall coating, cast coating, dip coating, electrodeposition, spin coating, vapor deposition (PVD, CVD), sputtering, lithography, laser structuring and others can be used for the production.
  • This example shows a variant of the UV sensor, consisting of a UV-sensitive solar cell 1 and a plurality of solar cells 2 for power supply, a capacitor 4, a resistor 3, an enhancement field effect transistor 5 and an organic light emitting diode 6 ( Figure 1). All components are produced according to the invention in thin-film technology with organic and / or inorganic functional materials on a flexible base.
  • the first solar cell 1 charges the capacitor 4, which increases the voltage at the capacitor 4 and at the gate of the transistor 5 as the dose increases. As the transistor becomes conductive, the voltage drop across the initially non-conductive LED 6 increases. If this voltage drop exceeds the threshold voltage of the light-emitting diode, this also becomes conductive and starts to light up.
  • a second solar module consisting of a series connection of solar cells 2, which can also absorb in the visible and infrared spectral range, serves the power supply of the transistor and the OLED.
  • This example shows a variant of the UV sensor with a linearized characteristic, consisting of one or more UV-sensitive solar cells 11, one or more solar cells 12 for power supply, a capacitor 14, a resistor 13, an operational amplifier 15 and an organic light emitting diode 16 (FIG 2).
  • a second solar module 12 consisting of a plurality of solar cells connected in series. These solar cells, in contrast to the UV-sensitive solar cells 11 in one absorb larger spectral range and also have a larger area.
  • the operational amplifier 15 consists of thin-film transistors and passive thin-film components. Operational amplifier 15, resistor 13 and capacitor 14 form an integrator whose output voltage increases in proportion to the size and duration of the applied input signal. If the output voltage at the operational amplifier 15 exceeds the threshold voltage of the OLED 16, it will start to light up.
  • a solar module consisting of five series-connected polymeric thin-film solar cells with the photoactive layer poly-3-hexylthiophene / [6, 6] -phenyl-C 6 i-butyrate (layer thickness 100 nm), with a capacitor of the
  • the maximum sensitivity of this solar cell is at a wavelength of 500 nm.
  • the solar module was provided with a UV filter, which only lets wavelengths between 300 nm and 400 nm (maximum at 360 nm).
  • the irradiation was carried out with a standard light source AM 1.5 with an irradiation of 100 mW / cm 2 . Due to the filter, only about 4.5 mW / cm 2 strike the photoactive layer.
  • the voltage of the capacitor initially increases proportionally with time and finally reaches a saturation value (Figure 3).
  • Example 3 In the construction of Example 3, the capacitor was replaced by a 5 ⁇ F capacitor and in addition a 5 M ⁇ resistor was connected in series. The voltage-time curve is similar to Example 3, but the charging time is significantly reduced until saturation is reached (Figure 4). [List of numbers] 1 UV-sensitive solar cell 2 Solar cell for energy supply

Abstract

The invention relates to a dosimeter having a compact design for dosage measurements in the UV radiation spectrum. The meter is configured as a monolithically integrated circuit, the layer system of which comprising the functional layers is disposed on a flexible carrier element, such as a plastic film, and which is frequently provided in the form of a test strip for one-time use.

Description

Mini-Dosimeter für UV-Strahlung mit Eigenspeisung und WarnsignalausgabeMini dosimeter for UV radiation with self-supply and warning signal output
[Beschreibung][Description]
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.The invention relates to a flat, flexible and inexpensively producible UV dosimeter, which displays after reaching a certain dose depending on irradiation and irradiation either a measured value and / or emits a warning signal. The dosimeter works without additional power source, e.g. a battery. It can be installed directly on the exposed surface to save space.
[Stand der Technik][State of the art]
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 diesesKnown UV dosimeters are often based on photochromic layers that change color upon irradiation. Such dosimeters can be produced inexpensively as disposable articles in the form of small test strips. But they have no warning function or do not allow quantitative measurement. In the case of purely visual evaluation, practically only a qualitative statement is obtained by comparison with a reference color scale. Although you get by means of photometric evaluation and quantitative statements, but it requires an additional measurement process with a suitable meter. For dose determination in radiation-curing processes in the printing and coating industry, this system is offered by Hönle AG under the name UV Scan. However, this dosimeter is more of a hindrance in particular for portable applications in the leisure sector (eg outdoor activities) or in occupational safety in exposed environments (construction sites, agriculture). Known electronic dosimeters are based on a UV-sensitive component, such as a photodiode. This is Part of an electronic circuit that integrates the charge generated by the UV sensor over the measurement time and finally displays the measured dose. Examples can be found in US 4428050, US 3710115, DE 4012984 and DE 4317405, wherein the information on the circuits are different in detail. Additionally or alternatively to the measured value display, the dosimeters can still be provided with an optical or audible warning function, which is activated when a specific nominal value is reached (US Pat. No. 4,402,850, US Pat. No. 3,710,115, DE 4317405). These circuits are constructed with discrete components and are therefore not arbitrarily compact and inexpensive to manufacture. In addition, they need a power supply (mains connection, battery or similar). In WO8603319 we describe an energy self-sufficient circuit for an electronic UV dosimeter with an electro-acoustic warning function. The circuit includes an optical sensor, resistors, capacitors, a preamplifier, a comparator, switches, diodes, a piezo-transducer and a solar cell for power supply. For the production of the circuit no information is given. The circuit is located in a housing with window and is therefore also not flat, flexible and not really cheap. DE 69102804 describes another electronic dosimeter for gamma, UV, X-ray or particle beams, consisting of a detector, a calendar clock, a memory, a microprocessor, a power supply, a display and / or an alarm. The circuit is constructed with discrete components and can be integrated eg in a check card. This is also this
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.Dosimeter but not really small and inexpensive. Utility Model G9313246.8 discloses a UV dosimeter with a photodetector made of a semiconductor with a band gap greater than 2.25 eV, an input device, a signal Processing and an optical and / or acoustic output device claimed. Other elements of the dosimeter can be: lentils, storage, solar cell for power supply ¬, filter. This dosimeter can be miniaturized and used eg in check cards, watches, spectacles, cans or clothing. Due to the discrete structure, however, it is not sufficiently inexpensive, thin and flexible. Another solution describes WO 0118510, in which the dosimeter is integrated into a wristwatch. The disadvantage here is that you would have to acquire a suitably equipped wristwatch for dose measurement.
[Aufgabe der Erfindung]OBJECT OF THE INVENTION
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.The invention relates to a dosimeter for determining the dose of UV rays which act on a human or an object. This is e.g. of importance when sunbathing under natural or artificial sunlight, other leisure or work activities outdoors or in technical processes where UV-curing materials are processed.
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 .The object of the invention is to provide a flat, flexible and inexpensive UV dosimeter of simple and small design for mobile use, which manages without additional power and displays the dose value or emits a warning signal when a certain value is exceeded. The aim of the invention is ultimately to combine the advantages of a photochromic test strip, which is compact and flexible and at the same time inexpensive, with those of an electronic dosimeter with an integrated alarm function or display a measured value. In the form of a small test strip, the UV test strip according to the invention can be attached to the body, clothing or articles in a space-saving manner. So it is, without being bothered there, advantageously directly on the exposed surface and can thus measure the dose striking there. If several surfaces of a body are exposed to different doses, each of the surfaces can be equipped with a strip dosimeter. Small means an area of the flexible strip dosimeter of less than 10 cm 2 , preferably less than 5 cm 2, and a total thickness of at most 200 μm, preferably less than 100 μm. Due to the low production costs, it is suitable for single use.
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) .The solution of the problem is achieved in that the dosimeter is present as a monolithic integrated circuit in thin-film technology on a flexible support member, such as a plastic film. The term monolithically integrated circuit means in this case that all required electronic and optoelectronic components are deposited in the form of thin structured functional layers on the flexible carrier material. The photosensitive element used is a thin-film solar cell which charges a capacitor which is likewise produced using thin-film technology. Thin functional layers according to the invention have layer thicknesses of about 1 μm and below. The total layer thickness of an electronic component made up of several functional layers should not exceed 10 μm (without substrate and encapsulation).
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 größerenThe voltage across the capacitor increases with time as a function of the irradiation. This value can be displayed with a small display, whereby the dose values from the voltage values are determined via a calibration. The display can be, for example, an OLED (organic light-emitting diode), an electrochromic or an electrophoretic display, which likewise is integrated into the film substrate in thin-film technology. A drive circuit for the display leaves be realized by means of thin film transistors (TFT). In addition to or instead of the display, it is also possible to integrate an electro-acoustic or electro-optical component which emits a signal when a threshold value is reached. An electroacoustic signal generator may be, for example, a thin piezoelectric oscillator, which is excited by an oscillator circuit consisting of thin-film transistors. An electro-optical signal generator can be, for example, a single OLED. In order not to overload the capacitor when operating the signal generator, a thin-film transistor should be inserted to drive the signal generator. For the energy supply of the display or signal generator, a second solar cell or a series connection of solar cells (solar module) can be integrated, which in contrast to the UV-sensitive solar cell via a larger solar cell
Spektralbereich empfindlich sein kann und vorteilhafterweise auch über eine größere Fläche verfügt.Spectral range can be sensitive and advantageously also has a larger area.
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 1In order to achieve a linear dependence of the voltage of irradiation and time, it is advantageous to charge the capacitor via an operational amplifier. The operational amplifier, which can be realized with thin-film transistors, forms an integrator with the capacitor and a resistor. The spectral sensitivity of the solar cell is preferably adjusted so that it absorbs UV light, but is insensitive in the visible spectral range. This can be achieved by suitable selection of the absorbing semiconductor material, which should have a large bandgap (greater than about 3 eV). Alternatively or in parallel, parts of the light spectrum which are not relevant by means of spectral filters can be masked out. Furthermore, parts of the UV spectrum, in particular from the UV-B range, in which the solar cell is not sufficiently sensitive, can be converted by fluorescent substances into longer-wave light. By suitable dimensioning of the components (solar cell, capacitor, resistors), dosimeters for different measuring ranges or threshold dose values can be realized. In general, it is also necessary to connect several solar cells in series in order to provide the voltages required for driving the active components (eg transistors, OLED, piezo oscillator, display). The functional materials (semiconductors, conductors, insulators) required for the production of the thin-film components can be of organic nature (eg conjugated polymers or oligomers, fullerenes) as well as of an inorganic nature (metals, transparent conductive oxides (eg ITO, ZnO)) and also composites. site of organic and inorganic materials. The known thin film coating and structuring processes such as printing, doctor blading, free-fall coating, cast coating, dip coating, electrodeposition, spin coating, vapor deposition (PVD, CVD), sputtering, lithography, laser structuring and others can be used for the production. In terms of cost-effective production, those materials and processes are preferred which enable highly productive, energy-efficient and cost-effective production. In particular, soluble organic materials in combination with wet coating or printing processes appear particularly suitable. The entire circuitry is encapsulated as needed by means of transparent high barrier layers or films. This is particularly necessary when solar cells, OLEDs and TFTs made of organic materials are used. For better adhesion to persons or objects, an adhesive layer can be applied to the rear side of the sensor, so that the sensor can be used in a manner similar to a plaster or an adhesive strip. example 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 denThis example shows a variant of the UV sensor, consisting of a UV-sensitive solar cell 1 and a plurality of solar cells 2 for power supply, a capacitor 4, a resistor 3, an enhancement field effect transistor 5 and an organic light emitting diode 6 (Figure 1). All components are produced according to the invention in thin-film technology with organic and / or inorganic functional materials on a flexible base. The first solar cell 1 charges the capacitor 4, which increases the voltage at the capacitor 4 and at the gate of the transistor 5 as the dose increases. As the transistor becomes conductive, the voltage drop across the initially non-conductive LED 6 increases. If this voltage drop exceeds the threshold voltage of the light-emitting diode, this also becomes conductive and starts to light up. A second solar module, consisting of a series connection of solar cells 2, which can also absorb in the visible and infrared spectral range, serves the power supply of the transistor and the OLED. By suitable dimensioning of all components you can
Dosiswert, bei dem die LED zu leuchten beginnt, einstellen.Dose value at which the LED starts to light up.
Beispiel 2Example 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.This example shows a variant of the UV sensor with a linearized characteristic, consisting of one or more UV-sensitive solar cells 11, one or more solar cells 12 for power supply, a capacitor 14, a resistor 13, an operational amplifier 15 and an organic light emitting diode 16 (FIG 2). In order to provide the operating voltage for the operational amplifier 15, a second solar module 12, consisting of a plurality of solar cells connected in series, is integrated. These solar cells, in contrast to the UV-sensitive solar cells 11 in one absorb larger spectral range and also have a larger area. The operational amplifier 15 consists of thin-film transistors and passive thin-film components. Operational amplifier 15, resistor 13 and capacitor 14 form an integrator whose output voltage increases in proportion to the size and duration of the applied input signal. If the output voltage at the operational amplifier 15 exceeds the threshold voltage of the OLED 16, it will start to light up.
Beispiel 3Example 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 derA solar module consisting of five series-connected polymeric thin-film solar cells with the photoactive layer poly-3-hexylthiophene / [6, 6] -phenyl-C 6 i-butyrate (layer thickness 100 nm), with a capacitor of the
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) .Capacitance 1000 μF connected. The maximum sensitivity of this solar cell is at a wavelength of 500 nm. Furthermore, the solar module was provided with a UV filter, which only lets wavelengths between 300 nm and 400 nm (maximum at 360 nm). The irradiation was carried out with a standard light source AM 1.5 with an irradiation of 100 mW / cm 2 . Due to the filter, only about 4.5 mW / cm 2 strike the photoactive layer. The voltage of the capacitor initially increases proportionally with time and finally reaches a saturation value (Figure 3).
Beispiel 4Example 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 EnergieversorgungIn the construction of Example 3, the capacitor was replaced by a 5 μF capacitor and in addition a 5 MΩ resistor was connected in series. The voltage-time curve is similar to Example 3, but the charging time is significantly reduced until saturation is reached (Figure 4). [List of numbers] 1 UV-sensitive solar cell 2 Solar cell for energy supply
3 Widerstand3 resistance
4 Kondensator4 capacitor
5 Anreicherungs-Feldeffekttransistor5 enhancement field effect transistor
6 organische Leuchtdiode 11 UV-empfindliche Solarzelle6 organic light-emitting diode 11 UV-sensitive solar cell
12 Solarzelle zur Energieversorgung12 solar cell for energy supply
13 Widerstand13 resistance
14 Kondensator14 capacitor
15 Operationsverstärker 16 organische Leuchtdiode 15 operational amplifier 16 organic light emitting diode

Claims

[Patentansprüche] [Claims]
1. Mini-Dosimeter für UV-Strahlung, vorzugsweise zum einmaligen Gebrauch, mit einer Messanordnung zur quantita- tiven Bestimmung einer absorbierten Strahlungsdosis, enthaltend eine UV-sensitive Solarzelle, welche in Abhängigkeit von der jeweils akkumulierten Strahlungsdosis einen Kondensator auflädt, eine Transistorschaltung zur Verarbeitung des aus dem jeweiligen Spannungswert am Kon- densator abgeleiteten Messsignals sowie zur Ansteuerung einer Messsignalanzeige und/oder eines Signalgebers, sowie eine weitere Solarzelle zur Stromversorgung der Messanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung des Dosi- meters als monolithisch integrierte Schaltung, hergestellt in Dünnschichttechnik, ausgebildet ist, wobei deren strukturiertes Schichtensystem auf ein flexibles Trägerelement, bspw. eine Trägerfolie, aufgebracht ist.1. Mini-dosimeter for UV radiation, preferably for single use, with a measuring arrangement for the quantitative determination of an absorbed radiation dose, comprising a UV-sensitive solar cell which charges a capacitor depending on the respective accumulated radiation dose, a transistor circuit for processing the measuring signal derived from the respective voltage value on the capacitor and for controlling a measuring signal display and / or a signal generator, and a further solar cell for the power supply of the measuring arrangement, characterized in that the measuring arrangement of the dosimeter as a monolithic integrated circuit, manufactured in thin-film technology, is formed, wherein the structured layer system on a flexible support member, for example. A carrier film, is applied.
2. Mini-Dosimeter für UV-Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vorwiegend als Einwegartikel vorgesehene Dosimeter als Teststreifen ausgebildet ist.2. mini-dosimeter for UV radiation according to claim 1, characterized in that the predominantly provided as a disposable dosimeter is designed as a test strip.
3. Mini-Dosimeter für UV-Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungselemente der monolithisch integrierten Schaltung Funktionsschichten aus organischen halbleitenden Materialien, wie konjugierte Polymere oder Oligomere und Fullerene, oder aus anorganischen Materialien, wie Metallen oder transparenten leitenden Metalloxiden, z.B. ITO oder ZnO, oder aus Kompositen organischer und anorganischer Materialien besitzen. 3. mini-dosimeter for UV radiation according to claim 1, characterized in that the circuit elements of the monolithic integrated circuit functional layers of organic semiconducting materials, such as conjugated polymers or oligomers and fullerenes, or of inorganic materials, such as metals or transparent conductive metal oxides, eg ITO or ZnO, or composites of organic and inorganic materials.
4. Mini-Dosimeter für UV-Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapselung des monolithischen Schaltungsaufbaues der Messanordnung zum Schutz vor Feuchtigkeit und Sauerstoffeinwirkung durch transparente Hochbarriereschichten oder -folien erfolgt -4. mini-dosimeter for UV radiation according to claim 1, characterized in that the encapsulation of the monolithic circuit structure of the measuring arrangement for protection against moisture and oxygen exposure by transparent high barrier layers or films is carried out -
5. Mini-Dosimeter für ÜV-Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber eine organische Leuchtdiode (OLED) oder ein Piezoschwinger ist.5. Mini dosimeter for UV radiation according to claim 1, characterized in that the signal transmitter is an organic light-emitting diode (OLED) or a piezoelectric oscillator.
6. Mini-Dosimeter für UV-Strahlung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber nach Erreichen einer bestimmten Dosis ein akustisches oder optisches Signal aussendet.6. mini-dosimeter for UV radiation according to claim 1 and 5, characterized in that the signal transmitter emits an acoustic or optical signal after reaching a certain dose.
7. Mini-Dosimeter für UV-Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistorschaltung aus einem oder mehreren Transistoren und passiven Bauelementen besteht.7. mini-dosimeter for UV radiation according to claim 1, characterized in that the transistor circuit consists of one or more transistors and passive components.
8. Mini-Dosimeter für UV-Strahlung nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Transistorschaltung z.B. Operationsverstärker, Integratoren, Kompara- toren und eine Ansteuerschaltung für ein Display realisiert werden.8. mini-dosimeter for UV radiation according to claim 1 and 7, characterized in that by means of the transistor circuit, for. Operational amplifiers, integrators, comparators and a drive circuit for a display can be realized.
9. Mini-Dosimeter für UV-Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Display z.B. ein OLED-, elektrochromes oder elektrophoretisches Display ist.9. mini-dosimeter for UV radiation according to claim 1, characterized in that the display, e.g. an OLED, electrochromic or electrophoretic display.
10.Mini-Dosimeter für UV-Strahlung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Empfindlich- keit der sensorischen Solarzelle auf den UV-Bereich des LichtSpektrums abgestimmt ist, z.B. durch die Wahl des fotoaktiven Absorbermaterials oder eine zusätzliche spektrale Filterschicht und/oder zusätzliche Fluoreszenz- farbstoffe.10. Mini-dosimeter for UV radiation according to one or more of the preceding claims, characterized in that the spectral sensitivity the sensitivity of the sensory solar cell is tuned to the UV range of the light spectrum, for example by the choice of the photoactive absorber material or an additional spectral filter layer and / or additional fluorescent dyes.
11.Mini-Dosimeter für UV-Strahlung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite des Trägerelements mit einer Adhäsionschicht versehen ist, die es gestattet, den UV-Sensor z.B. auf der Kleidung, einem Bauteil oder der Haut aufzukleben. 11. Mini UV radiation dosimeter according to one or more of the preceding claims, characterized in that the rear side of the carrier element is provided with an adhesion layer which allows the UV sensor, e.g. to stick on the clothing, a component or the skin.
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