紫外線傳感器的結(jié)構(gòu)和行業(yè)應(yīng)用

紫外線傳感器

紫外線傳感器又叫紫外光敏管（簡稱紫外管），是一種利用光電子發(fā)射效應(yīng)的光電管。其特點是只響應(yīng)300nm以下紫外輻射，具有高靈敏度、高輸 出、高響應(yīng)速度等特性 , 并且抗干擾能力強 、穩(wěn)定可靠 、壽命長 、耗電少 , 因而在目前的安全防護(hù) 、自動化控制方面有比較廣泛的使用價值 。 

隨著電子計算機的廣泛應(yīng)用, 為計算機服務(wù)的各類傳感技術(shù)受到越來越多的重視。紫外線傳感器能檢查到人感官覺察不到的紫外線 , 又能避免日光 、 燈光和其它常見光源的干擾, 對火陷的發(fā)現(xiàn)和熄火保護(hù) 、特殊場所的光電控制都是很有用的 。

紫外線傳感器的結(jié)構(gòu)分類

目前國內(nèi)外有使用價值的紫外管可以按陰極形狀分為球形、絲形 、平板形結(jié)構(gòu) , 均為二極管的電極結(jié)構(gòu)形式 , 其外殼的形狀和材料種類是為使用要求 設(shè)計的 , 從工作狀態(tài)上看 , 以電極形狀分類進(jìn)行分析較合適些。

1、絲狀電極結(jié)構(gòu) 

這類管子的電極一般是由兩根或多根對稱的金屬絲組成 , 這是紫外管早期 的一種結(jié)構(gòu)形式 , 多用純度高的鎢絲或鉑絲 , 距離較近的平行線是工作區(qū)。 

由于紫外管完全靠電極表面的光電子發(fā)射效應(yīng) , 然后利用氣體倍增獲得較 強的信號，其光譜響應(yīng)范圍取決于陰極材料的逸出功。

在光電子發(fā)射過程中，光子的波長越短能量越高 , 即使量很少也能激發(fā)電子克服逸出功飛出陰極表面 。能量低的光子即使數(shù)量很多也不能激發(fā)出陰極表面的電子。在紫外管中對陰極材料表面純度要求非常高，否則就會影響到光譜的范圍而失去使用價值 , 采用對稱的絲狀結(jié)構(gòu)是為了工藝處理的方便 , 盡可能避 免其它物質(zhì)對電極的污染 。 

這類管子的特點是可以在交流狀態(tài)下工作，工作電流較大，使用線路簡單，可以利用適當(dāng)?shù)墓に囂幚砣サ綦姌O表面的雜 質(zhì) , 但視角靈敏度波動比較大 , 工作區(qū)容易產(chǎn)生發(fā)射不均勻的現(xiàn)象。

2、球形陰極結(jié)構(gòu) 

為了充分避免效應(yīng) , 使光電子發(fā)射更加穩(wěn)定和均勻 , 需要把工作區(qū)域在 陰極上固定 , 因為紫外管是靠光電子發(fā)射和氣體倍增來完成光信號轉(zhuǎn)變成 電信號并加以放大的 , 一般在電極較近的區(qū)域 , 光發(fā)射利用率高 , 由此設(shè) 計出點式結(jié)構(gòu)球形陰極的紫外管 , 其結(jié)構(gòu)如圖。

無論光子從哪個角度輻射到半球形的陰極上 , 放電區(qū)域總是在靠近陽極的半球形頂點上 。因為陰極有效面積小 , 所以管子的工作電流一般小于0.3mA，但它的視角較寬而且視角靈敏度比較均勻, 特別適合于火情預(yù)報 的場所 , 還可用聚焦的方法提高靈敏度 。

在管內(nèi)把陽極制成半球形反射面 , 如美國的耐540°C高溫的紫外光敏管 。使接受到的紫外輻射反射到中心的陰極 , 提高管子的靈敏度 , 因為遠(yuǎn)紫外輻射具有可見光一樣的直線傳播和反射的效應(yīng)，如圖2b聚焦型 。

3、平板陰極結(jié)構(gòu)

紫外管的靈敏度取決于陰極上接收到遠(yuǎn)紫外輻射的光子的多少 , 陰極面積越大 , 接收概率就越高 , 從而使陰極上有更多的電子逸出 , 在外加高壓的 電場作用下被加速并與管內(nèi)氣體分子碰撞而使氣體分子電離 , 電離后產(chǎn)生 的電子再與氣體分子碰撞 , 這樣循環(huán)的運動終將使管內(nèi)氣體放電 。這種 雪崩式放電的機會取決于陰極上的光電子發(fā)射效應(yīng) 。為了提高靈敏度 , 近年來又研制和發(fā)展了一種平板形陰極結(jié)構(gòu)的紫外管。 

紫外線傳感器的參數(shù)比較

紫外管是冷陰極放電二極管 , 它和光電管一樣利用陰極的光電子發(fā)射效應(yīng)。管內(nèi)封入了特殊氣體 , 作為放電管工作媒介。在只對紫外線敏感的光 電陰極和陽極之間加電壓時 , 紫外線透過玻殼照射到陰極上 , 陰極就要發(fā)射 光電子 。 

由于電場的作用 , 光電子被吸向陽極 , 但輸出電流非常微弱 。如果升高外加電壓 , 使電場變得很強 , 光電子受到充分的加速而與管內(nèi)的氣體分子發(fā)生碰撞使氣體分子電離 , 氣體電離產(chǎn)生的電子再與氣體分子碰撞 , 后終于引起放電現(xiàn)象 , 得以獲得大的信號電流 。工作在直流電壓場合 , 如果不形成特別的阻尼電路 , 放電就持續(xù)下去 。這些就是紫外管的主要工 作原理 , 下面就靈敏度 、視角 、光譜響應(yīng)范圍 、噪聲 、可靠性幾個主要參數(shù)進(jìn)行敘述。 

1、靈敏度

紫外管的靈敏度可以表現(xiàn)為輸出脈沖和輸出電壓兩種形式 , 不同的線路和測量標(biāo)準(zhǔn)得出不同的數(shù)據(jù) 。一般需要確定的有：標(biāo)準(zhǔn)紫外輻射光源 、距 離 、 線路 、 測量儀器四項。 

在各種結(jié)構(gòu)的紫外管中 , 平板形陰極的靈敏度高 , 特別是遠(yuǎn)距離探測表現(xiàn)得明顯 ,球形陰極結(jié)構(gòu)的噪聲很低 , 因此仍能有效地區(qū)別較遠(yuǎn)處的紫外輻射。

為了提高靈敏度 ,也可以采用表面處理的鋁式涂有氧化鎂的金屬做聚 焦鏡 , 把分散的光子聚焦到陰極上 ,提高光發(fā)射幾率 。也可以在探頭正面用透紫材料凸透鏡聚焦 。

靠線路提高靈敏度會使噪聲信號同時上升 , 因此必須在生產(chǎn)工藝上盡量保證既要靈敏度高又要降低本底噪聲 。用輸出電壓來區(qū)別管子的靈敏度常適用于熄火保護(hù)中的應(yīng)用 , 一 般距一 燭光20CM處有10~30伏的輸出 , 輸出 電壓的穩(wěn)定可以使監(jiān)控器工作更可靠。紫外光敏管在使用過程中靈敏度的衰減很小 , 在壽命1萬小時內(nèi)很少會發(fā)現(xiàn)靈敏度大幅度下降的現(xiàn)象 , 因此在火情報警中有火不報的現(xiàn)象不會發(fā)生。

2、角靈敏度

在較大空間的火情報警中視角靈敏度很重要 , 因電極形狀的差異表現(xiàn)在不 同角度的靈敏度不同 。

在絲狀陰極的直流工作狀態(tài)下 ，（圖4a）垂直陰極的30~60°靈敏度高，說明該區(qū)域的電子在場強的作用下容易逸出陰極表面。

由于充氣壓力和極間距 離pd值小干放電所需要的小陰極距離 , 陰極和陽極近處光發(fā)射反而減少 。沿電極平行方 向 , 角靈敏曲線呈對稱變化 。

正對管子0°時高 , 但只有高靈敏度的60%， 如果管子工作在交流狀態(tài)，在另一個電極上會出現(xiàn)同樣的靈敏區(qū) , 呈對稱雙葉圖形 。絲狀陰極的 視角靈敏度均勻性較塞對空間較大的紫外探測有較強的角度差別 。

球狀陽極在正面160° 內(nèi)有比較均勻的靈敏 度, 當(dāng)紫外源垂直陽極方向運動時 , 由于陽極對幅射的遮擋而出現(xiàn)低谷區(qū) 。

在水平陽極方向轉(zhuǎn)動時 , 在60°時由于沒有陽極的遮攔 而出現(xiàn)高峰區(qū)。正面160°圓錐面表現(xiàn)在60%以上的靈敏度。所以說球狀陰極比較適合于較大 面積的火陷探測 。

平板形陰極的視角靈敏度表現(xiàn)得均勻?qū)ΨQ , 基本上沒有什么低谷區(qū)（圖4c）。這是因為陰極面積較大 , 精密的網(wǎng)狀陽極在陰極上形成均勻的遮擋狀態(tài) , 在160°的視角范圍內(nèi)形成相當(dāng)均勻的靈敏度曲線 , 很適合于大視角的火情監(jiān)測。 

3、光譜響應(yīng)范圍

紫外管可以表現(xiàn)為對日光不反應(yīng)的“日光盲”狀態(tài) , 這對它在特殊場所的 應(yīng)用是十分必要的 。

通常陰極材料的逸出功決定光譜長波長截止端 , 管殼或窗口材料決定短波 長截止端 。如融熔石英為165nm， 透紫玻璃為185nm, 但同樣的電極材料和處理工藝并不能保證光譜波長截止端完全相同 , 這是因為后的陰極表面純度不一致所造成的 。 

在球狀陰極中由于材料純度高和避免了效應(yīng) , 它的截止波長一般在245nm以內(nèi)，陰極面積越小 , 其截止波長越容易控制 , 但面積太小會降低 靈敏度 。

平板陰極的光譜范圍也可以控制在245nm，但由于陰極面積大 , 靈敏度高 , 在長波長端的噪聲水平也相應(yīng)增大 。

用光范圍寬的管子將地面太陽光和單色光進(jìn)行比較 , 證明即使在夏季強烈 日光照射下也沒有發(fā)現(xiàn)低于280nm的輻射。

4、噪聲（本底）

紫外管能將光信號轉(zhuǎn)變成電信號 , 它本身也有本底和環(huán)境噪聲 。由于宇 宙射線或管內(nèi)已被激發(fā)的亞穩(wěn)狀態(tài)電子躍遷 , 多在頻繁的脈沖中產(chǎn)生假的計數(shù) , 所以即使在完全黑暗中也會出現(xiàn)少量噪聲信號 , 只是時間間隔較長。質(zhì)量差的管子噪聲信號將上升, 有時會和信號相差不遠(yuǎn)而造成整機誤報 , 有 些嚴(yán)重的可表現(xiàn)為在可見光下自激而無法使用 , 因此紫外管必須經(jīng)過長時間（幾 百 小時）老化處理才能保證使用的安全可靠 。

球狀陰極由于陰極有效面積小而使本底得到抑制 , 加上光譜范圍窄 ,  所以管子的本底噪聲很低 , 一般幾個小 時才有一次 。平板陰極的噪聲較高 , 約 每分鐘1 一 4次 , 但由于它靈敏度特高 , 信噪比仍然很大 , 微弱的紫外線和噪聲能很明顯地區(qū)分開來 。

管內(nèi)充有氫氣在放電中有凈化電極的作用 , 在熄火保護(hù)的使用過程中 , 長期 地放電并沒有提高多少噪聲 , 能可靠地運行1萬小時。管子的不正確使用將擴大噪聲而縮短使用壽命 , 因此對紫外傳感器使用線路有嚴(yán)格的要求 。一 般以陰極工作區(qū)輝光布滿而平均工作電流較小的尖脈沖為佳狀態(tài) , 線路 中管子必須有足夠的熄滅時間（一 般 為5~10ms )以使管內(nèi)氣體有足夠的消電離時間 , 這一 般由使用線路中R一C阻尼電路決定 。大電流小輝光面會使陰極區(qū)局部產(chǎn)生污染 , 擴大噪聲和使用壽命減少 。

5、紫外線傳感器的可靠性。

紫外管是真空密封的 , 氣壓 、 溫度 、 濕度等氣候因素對它的使用影響較 小 。150~200°C應(yīng)用會使管子玻殼 、 引線上的有害物質(zhì)由于熱運動而蒸散到電極上去 , 使光譜范圍有所擴大 , 但放電對電極的凈化，使它仍能滿 足火陷監(jiān)控的要求 , 總壽命將有所降低 。強烈的振動或者沖擊也會對個 別紫外 管參數(shù)造成影響 , 這是由于在工藝處理中使陰極有害的物質(zhì)重新回到陰極上 , 造成了光譜范圍擴大 。紫外管中的工藝處理要求極為嚴(yán)格 , 應(yīng)盡量減少污染 。

紫外管可以較長時間的存放 , 經(jīng)8年以上存放的管子 , 參數(shù)只有少量的變化 , 仍不影響使用 。從結(jié)構(gòu)上看 , 球狀陰極的參數(shù)比較容易控制 , 因為它的放 電區(qū)域小而且穩(wěn)定 。

紫外線傳感器的應(yīng)用

紫外線是電磁波譜中波長從10nm到400nm輻射的總稱。根據(jù)波長的不同，一般把紫外線分為A、B、C三個波段，具體如下：UVA為400～315 nm，UVB為315～280 nm，UVC為280～100 nm。對應(yīng)不同波長，具體應(yīng)用有所不同。在UVLED市場應(yīng)用中，UV-A占有大市場份額，高達(dá)90%。其主要的應(yīng)用市場為固化，涉及到美甲、牙齒、油墨印刷等領(lǐng)域。除此之外，UV-A也導(dǎo)入商業(yè)照明，可以使白色衣物看起來更潔白。至于UV-B和UV-C則主要應(yīng)用于shajun、，醫(yī)學(xué)光照療法等，其中UV-B以為主、UV-C則是shajun。此外，UV LED從紙鈔識別，應(yīng)用到光樹脂硬化、捕蟲、印刷，并朝shajun、等市場發(fā)展生物、防偽鑒定、空氣凈化、數(shù)據(jù)存儲及軍事航空領(lǐng)域，以特種照明為主。 

光固化系統(tǒng)中的應(yīng)用領(lǐng)域：

UVA波段的典型應(yīng)用為紫外固化和UV噴墨打印，代表波長為395nm、365nm， UV LED光固化應(yīng)用包含在顯示屏、電子、儀表等行業(yè)的UV膠黏劑固化；建材、家具、家電、汽車等行業(yè)的UV涂料固化；印刷、包裝等行業(yè)的UV油墨固化……其中，紫外LED飾面板行業(yè)已成為一大熱點，大的優(yōu)勢是可制作出零甲醛的環(huán)保板材，且節(jié)能90%，產(chǎn)量大，耐硬幣刮擦，綜合效益經(jīng)濟等優(yōu)點。這表示UV LED固化市場是一個全方位和全周期的應(yīng)用產(chǎn)品市場。

1.微電子行業(yè)-UV光固化應(yīng)用：

手機元件裝配（相機鏡頭、聽筒、話筒，外殼，液晶模組，觸摸屏涂層等），硬盤磁頭裝配（金線固定，軸承，線圈， 芯片粘接等），DVD/數(shù)碼相機（透鏡，鏡頭粘接，電路板加固），馬達(dá)及元件裝配（導(dǎo)線，線圈固定，線圈末端固定，PTC/NTC元件粘接，保護(hù)變壓器磁芯），半導(dǎo)體芯片（防潮濕保護(hù)涂層，晶元掩膜，晶元污染檢驗，紫外膠帶的曝光，晶元拋光檢查），傳感器生產(chǎn)（氣體傳感器，光電傳感器，光纖傳感器，光電編碼器等）。

PCB行業(yè)LED UV光固化應(yīng)用：

元件（電容，電感，各種插件，螺絲，芯片等）固定，防潮灌封和核心電路、芯片保護(hù)，抗氧化涂層保護(hù)，電路板保型（角）涂層，地線，飛線，線圈固定，波峰焊通孔掩膜。

光樹脂硬化應(yīng)用：

紫外光固化樹脂主要由低聚物、交聯(lián)劑、稀釋劑、光敏劑及其它特定助劑組成。它是用紫外光照射高分子樹脂，使之發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而瞬間固化。在UV LED紫外線光固化機的照射下，紫外光固化樹脂固化時間根本不需要10秒那么長的時間，基本上1.2秒就能夠固化，比傳統(tǒng)的UV汞燈光固化機在速度上快很多。同時熱量方面也比UV汞燈的理想。通過對紫外光固化樹脂各成分的不同調(diào)配，可制得滿足不同要求和用途的產(chǎn)品。目前，紫外光固化樹脂主要用于木地板涂層、塑料涂層（如 PVC裝飾板）、光敏油墨（如塑料袋的印刷）、電子產(chǎn)品涂層（標(biāo)記及電路板印刷）、印刷上光（如紙張、撲克牌上光）、金屬零部件（如摩托車零部件）涂層、光纖涂層、光刻膠及精密零部件的涂層等 

2、領(lǐng)域：

皮膚治療：

UVB波段的一個重要應(yīng)用則是皮膚病治療，即紫外光療應(yīng)用?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)波長在310nm左右的紫外線對皮膚有強烈的黑斑效應(yīng)，能夠加速皮膚的新陳代謝，提高皮膚的生長力，從而可以有效治療白癜風(fēng)、玫瑰糠疹、多形性日光疹、慢性光化性皮炎、光線性癢疹等光照性皮膚病，因此在行業(yè)，紫外光療目前得到了越來越多的應(yīng)用。

相比于傳統(tǒng)光源，UV-LED的譜線純凈，可以大程度上保證治療效果。UVB波段也可以應(yīng)用于健康保健領(lǐng)域，經(jīng)過UVB波段的照射可以引起人體機體的光化學(xué)和光電反應(yīng)，使皮膚產(chǎn)生多種活性物質(zhì)，目前被應(yīng)用于調(diào)節(jié)神經(jīng)功能、改善睡眠、降低血壓等方面。

此外，已有研究表明UVB波段能夠加速某些葉類蔬菜（如紅生菜）中多酚類物質(zhì)的產(chǎn)生，這些多酚類物質(zhì)被宣稱具有抗癌、抗癌擴散和抗癌突變等性質(zhì)。

器械：

UV膠水粘接使器械的經(jīng)濟自動化裝配更容易?，F(xiàn)在，先進(jìn)的LED UV光源系統(tǒng)，能幾秒鐘固化沒有溶劑的紫外膠水，以及點膠系統(tǒng)，使器械裝配過程形成一致和重復(fù)性的粘接的一種有效和經(jīng)濟性的方法。 

UV光源的優(yōu)化和控制對制造可靠的器械非常重要。使用紫外固化膠水提供有很多優(yōu)勢， 比如更低的能量需要，節(jié)省固化時間和位置，提升生產(chǎn)率，更容易自動化。

UV膠水一般用來粘接和密封器械，這些器械需要非常高的質(zhì)量和好的可靠性。UV膠水固化典型應(yīng)用在器械裝配，比如需要粘接 1) 不同的材料 （或是機械特性不相同） 2) 材料不足夠厚，不能使用焊接方法 3）預(yù)先生產(chǎn)子件。

3、shajun領(lǐng)域:

UVC波段的紫外線由于波長短，能量高，可以在短時間內(nèi)破壞微生物機體(細(xì)菌、病毒、芽孢等病原體)細(xì)胞中的DNA(脫氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子結(jié)構(gòu)，細(xì)胞無法再生，細(xì)菌病毒喪失自我復(fù)制的能力，因此UVC波段產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用于如水、空氣等的shajun。

由于UV-LED具有體積小等優(yōu)點，可以配套作為成套UV（紫外線）shajun設(shè)備的光源，適用于各式外形結(jié)構(gòu)、各種材質(zhì)的大批量產(chǎn)品流水化作業(yè)的包裝前工藝；配套作為室內(nèi)空氣滅菌機的UV（紫外線）光源：適用于家用、公共場所等室內(nèi)空氣shajun；應(yīng)用于柜、微波爐等各種家用電器。

目前市場上有的深紫外應(yīng)用產(chǎn)品包括LED深紫外便攜式器、LED深紫外牙刷滅菌器、深紫外LED隱形眼鏡清洗滅菌器、空氣類shajun、潔凈水類shajun、食品以及物體表面shajun類。隨著人民安全衛(wèi)生意識的提高，這些產(chǎn)品的需求將大幅度提高，從而創(chuàng)造較大規(guī)模的市場。

4、火焰探測領(lǐng)域：

紫外線火焰探測器是紫外火焰探測器的俗稱。紫外火焰探測器是通過探測物質(zhì)燃燒所產(chǎn)生的紫外線來探測火災(zāi)的，除了紫外火焰探測器之外，市場上還有紅外火焰探測器，也就是術(shù)語是線型光束感煙火災(zāi)探測器。紫外火焰探測器適用于火災(zāi)發(fā)生時易發(fā)生明火的場所，對發(fā)生火災(zāi)時有強烈的火焰輻射或無陰燃階段的場所均可采用紫外火焰探測器，火焰探測紫外線傳感器需要傳感器本身耐高溫且靈敏度高。  

5、電弧探測領(lǐng)域：

高壓設(shè)備由于絕緣缺陷會產(chǎn)生電弧放電，放電時會伴隨有大量的光輻射，其中含有豐富的紫外光，通過檢測電弧放電產(chǎn)生的紫外光輻射，可以判斷高壓電力設(shè)備的安全運行狀況。紫外成像是一種有效的電弧放電檢測方法，形象直觀，并且具有良好的檢測定位能力，但是紫外光的信號比較微弱在檢測上面還有一些難度。 

6、紙鈔識別：

紫外線識別技術(shù)主要是利用熒光或紫外線傳感器檢測紙幣的熒光印記防偽標(biāo)志及紙幣的啞光反應(yīng)。此類識別技術(shù)能夠識別大部分假幣（如洗滌、漂白、粘貼等紙幣）。此技術(shù)發(fā)展早，為成熟，應(yīng)用為普遍。它不僅在ATM機的存款識別時用到，還在點鈔機、驗鈔機等金融機具上用到。一般情況下運用熒光及紫光對紙幣進(jìn)行全方位的反射、透射檢測。根據(jù)紙幣與其它紙張對紫外線的不同吸收率和反射率進(jìn)行鑒別，辨其真?zhèn)?。對有熒光印記的紙幣還能進(jìn)行定量的鑒別。 

隨著機電一體化新技術(shù)的發(fā)展，紫外線傳感器的性能將會得到進(jìn)一步的完善，其檢測結(jié)果將會更，檢測距離將會更長，動態(tài)檢測性能更好，因此，紫外線傳感器的應(yīng)用前景將會更加廣闊。