紫外線傳感器的結構和行業應用

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射效應的光電管。其特點是只響應300nm以下紫外輻射，具有高靈敏度、高輸 出、高響應速度等特性 , 并且抗干擾能力強 、穩定可靠 、壽命長 、耗電少 , 因而在目前的安全防護 、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用, 為計算機服務的各類傳感技術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, 對火陷的發現和熄火保護 、特殊場所的光電控制都是很有用的 。

紫外線傳感器的結構分類

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

1、絲狀電極結構 

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 的一種結構形式 , 多用純度高的鎢絲或鉑絲 , 距離較近的平行線是工作區。 

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

在光電子發射過程中，光子的波長越短能量越高 , 即使量很少也能激發電子克服逸出功飛出陰極表面 。能量低的光子即使數量很多也不能激發出陰極表面的電子。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 , 采用對稱的絲狀結構是為了工藝處理的方便 , 盡可能避 免其它物質對電極的污染 。 

這類管子的特點是可以在交流狀態下工作，工作電流較大，使用線路簡單，可以利用適當的工藝處理去掉電極表面的雜 質 , 但視角靈敏度波動比較大 , 工作區容易產生發射不均勻的現象。

2、球形陰極結構 

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

無論光子從哪個角度輻射到半球形的陰極上 , 放電區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, 特別適合于火情預報 的場所 , 還可用聚焦的方法提高靈敏度 。

在管內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 , 因為遠紫外輻射具有可見光一樣的直線傳播和反射的效應，如圖2b聚焦型 。

3、平板陰極結構

紫外管的靈敏度取決于陰極上接收到遠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氣體分子碰撞而使氣體分子電離 , 電離后產生 的電子再與氣體分子碰撞 , 這樣循環的運動終將使管內氣體放電 。這種 雪崩式放電的機會取決于陰極上的光電子發射效應 。為了提高靈敏度 , 近年來又研制和發展了一種平板形陰極結構的紫外管。 

紫外線傳感器的參數比較

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射效應。管內封入了特殊氣體 , 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的氣體分子發生碰撞使氣體分子電離 , 氣體電離產生的電子再與氣體分子碰撞 , 后終于引起放電現象 , 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 、光譜響應范圍 、噪聲 、可靠性幾個主要參數進行敘述。 

1、靈敏度

紫外管的靈敏度可以表現為輸出脈沖和輸出電壓兩種形式 , 不同的線路和測量標準得出不同的數據 。一般需要確定的有：標準紫外輻射光源 、距 離 、 線路 、 測量儀器四項。 

在各種結構的紫外管中 , 平板形陰極的靈敏度高 , 特別是遠距離探測表現得明顯 ,球形陰極結構的噪聲很低 , 因此仍能有效地區別較遠處的紫外輻射。

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 。用輸出電壓來區別管子的靈敏度常適用于熄火保護中的應用 , 一 般距一 燭光20CM處有10~30伏的輸出 , 輸出 電壓的穩定可以使監控器工作更可靠。紫外光敏管在使用過程中靈敏度的衰減很小 , 在壽命1萬小時內很少會發現靈敏度大幅度下降的現象 , 因此在火情報警中有火不報的現象不會發生。

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在不 同角度的靈敏度不同 。

在絲狀陰極的直流工作狀態下 ，（圖4a）垂直陰極的30~60°靈敏度高，說明該區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，在另一個電極上會出現同樣的靈敏區 , 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° 內有比較均勻的靈敏 度, 當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低谷區 。

在水平陽極方向轉動時 , 在60°時由于沒有陽極的遮攔 而出現高峰區。正面160°圓錐面表現在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得均勻對稱 , 基本上沒有什么低谷區（圖4c）。這是因為陰極面積較大 , 精密的網狀陽極在陰極上形成均勻的遮擋狀態 , 在160°的視角范圍內形成相當均勻的靈敏度曲線 , 很適合于大視角的火情監測。 

3、光譜響應范圍

紫外管可以表現為對日光不反應的“日光盲”狀態 , 這對它在特殊場所的 應用是十分必要的 。

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 , 它的截止波長一般在245nm以內，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增大 。

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

4、噪聲（本底）

紫外管能將光信號轉變成電信號 , 它本身也有本底和環境噪聲 。由于宇 宙射線或管內已被激發的亞穩狀態電子躍遷 , 多在頻繁的脈沖中產生假的計數 , 所以即使在完全黑暗中也會出現少量噪聲信號 , 只是時間間隔較長。質量差的管子噪聲信號將上升, 有時會和信號相差不遠而造成整機誤報 , 有 些嚴重的可表現為在可見光下自激而無法使用 , 因此紫外管必須經過長時間（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分開來 。

管內充有氫氣在放電中有凈化電極的作用 , 在熄火保護的使用過程中 , 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格的要求 。一 般以陰極工作區輝光布滿而平均工作電流較小的尖脈沖為佳狀態 , 線路 中管子必須有足夠的熄滅時間（一 般 為5~10ms )以使管內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局部產生污染 , 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應用會使管子玻殼 、 引線上的有害物質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 管參數造成影響 , 這是由于在工藝處理中使陰極有害的物質重新回到陰極上 , 造成了光譜范圍擴大 。紫外管中的工藝處理要求極為嚴格 , 應盡量減少污染 。

紫外管可以較長時間的存放 , 經8年以上存放的管子 , 參數只有少量的變化 , 仍不影響使用 。從結構上看 , 球狀陰極的參數比較容易控制 , 因為它的放 電區域小而且穩定 。

紫外線傳感器的應用

紫外線是電磁波譜中波長從10nm到400nm輻射的總稱。根據波長的不同，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。對應不同波長，具體應用有所不同。在UVLED市場應用中，UV-A占有大市場份額，高達90%。其主要的應用市場為固化，涉及到美甲、牙齒、油墨印刷等領域。除此之外，UV-A也導入商業照明，可以使白色衣物看起來更潔白。至于UV-B和UV-C則主要應用于shajun、，醫學光照療法等，其中UV-B以為主、UV-C則是shajun。此外，UV LED從紙鈔識別，應用到光樹脂硬化、捕蟲、印刷，并朝shajun、等市場發展生物、防偽鑒定、空氣凈化、數據存儲及軍事航空領域，以特種照明為主。 

光固化系統中的應用領域：

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

1.微電子行業-UV光固化應用：

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/數碼相機（透鏡，鏡頭粘接，電路板加固），馬達及元件裝配（導線，線圈固定，線圈末端固定，PTC/NTC元件粘接，保護變壓器磁芯），半導體芯片（防潮濕保護涂層，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（氣體傳感器，光電傳感器，光纖傳感器，光電編碼器等）。

PCB行業LED UV光固化應用：

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，抗氧化涂層保護，電路板保型（角）涂層，地線，飛線，線圈固定，波峰焊通孔掩膜。

光樹脂硬化應用：

紫外光固化樹脂主要由低聚物、交聯劑、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，使之發生交聯反應而瞬間固化。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配，可制得滿足不同要求和用途的產品。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）、電子產品涂層（標記及電路板印刷）、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、領域：

皮膚治療：

UVB波段的一個重要應用則是皮膚病治療，即紫外光療應用?？茖W家發現波長在310nm左右的紫外線對皮膚有強烈的黑斑效應，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、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，紫外光療目前得到了越來越多的應用。

相比于傳統光源，UV-LED的譜線純凈，可以大程度上保證治療效果。UVB波段也可以應用于健康保健領域，經過UVB波段的照射可以引起人體機體的光化學和光電反應，使皮膚產生多種活性物質，目前被應用于調節神經功能、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）中多酚類物質的產生，這些多酚類物質被宣稱具有抗癌、抗癌擴散和抗癌突變等性質。

器械：

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

UV光源的優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勢， 比如更低的能量需要，節省固化時間和位置，提升生產率，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量和好的可靠性。UV膠水固化典型應用在器械裝配，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）預先生產子件。

3、shajun領域:

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

由于UV-LED具有體積小等優點，可以配套作為成套UV（紫外線）shajun設備的光源，適用于各式外形結構、各種材質的大批量產品流水化作業的包裝前工藝；配套作為室內空氣滅菌機的UV（紫外線）光源：適用于家用、公共場所等室內空氣shajun；應用于柜、微波爐等各種家用電器。

目前市場上有的深紫外應用產品包括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。隨著人民安全衛生意識的提高，這些產品的需求將大幅度提高，從而創造較大規模的市場。

4、火焰探測領域：

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燃燒所產生的紫外線來探測火災的，除了紫外火焰探測器之外，市場上還有紅外火焰探測器，也就是術語是線型光束感煙火災探測器。紫外火焰探測器適用于火災發生時易發生明火的場所，對發生火災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、電弧探測領域：

高壓設備由于絕緣缺陷會產生電弧放電，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生的紫外光輻射，可以判斷高壓電力設備的安全運行狀況。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志及紙幣的啞光反應。此類識別技術能夠識別大部分假幣（如洗滌、漂白、粘貼等紙幣）。此技術發展早，為成熟，應用為普遍。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行全方位的反射、透射檢測。根據紙幣與其它紙張對紫外線的不同吸收率和反射率進行鑒別，辨其真偽。對有熒光印記的紙幣還能進行定量的鑒別。 

隨著機電一體化新技術的發展，紫外線傳感器的性能將會得到進一步的完善，其檢測結果將會更，檢測距離將會更長，動態檢測性能更好，因此，紫外線傳感器的應用前景將會更加廣闊。