Annons

Låt UV-sensorer garantera vattenkvaliteten

Avkänning i realtid av vattenkvalitet är bara en av de många möjliga tillämpningar som ny sensorteknik för ultravioletta ljusvåglängder ger. Acreos kompetenscenter IMAGIC forskar kring icke synligt ljus för avbildning och detektering och arbetar med en rad parallella spår, däribland UV-sensorer som kan resultera i banbrytande nya tillämpningar.
Acreo har under mycket lång tid bedrivit forskning inom detektorer och bildsensorer för IR. Vi har tidigare skrivit om såväl högkänsliga sensorer som kräver kylare och därmed blir dyrare, och är lämpliga för krävande tillämpningar, liksom om sensorer som arbetar i rumstemperatur och som med tiden kan komma att bli allmänt använda i billigare IR-kameror, t ex för att i bilar ge möjligheter att upptäcka människor och djur som inte bilstrålkastarna förmår visualisera.
Sensorer och detektorer för UV-ljus har ännu inte nått samma mognadsfas, men kommer i framtiden att möjliggöra bärbara mätare för att avslöja E coli-bakterier eller andra mikroorganismer i vatten, något som exempelvis skulle kunna vara användbart vid en fjällvandring.
Susan Savage, senior forskare inom Acreo och biträdande föreståndare för IMAGIC, talar om tre primära applikationsområden:
* Övervakning av objekt, t ex koronabildning i högspänningsanläggningar där urladdning joniserar luftens syre- och kvävemolekyler vilket ger upphov till UV-strålning. Sådan övervakning ger möjlighet att ingripa innan katastrofala fel inträffar.
UV-övervakning kan också fungera som flamdetektering. En kombination av UV- och IR- kan ge ett brandlarmsystem som är säkert mot falskt alarm.
* Belysning av objekt med UV och detektering av reflekterande ljus, kan tillämpas för att undersöka ytors ojämnheter i industriella processer. UV-strålning absorberas närmare ytan än synligt ljus och dess kortare våglängd gör att mindre strukturer kan upptäckas. Speciellt gäller det organiska material, som exempelvis trä, vilka absorberar UV-strålning i högre grad än icke organiska material vilket ökar kontrasten.
* Fluorescens: Man belyser med en våglängd och detekterar vid en annan ljusvåglängd.
– Beträffande fluorescens arbetar Acreo med att utveckla känsliga UV-detektorer. Dessa måste vara mycket känsliga för att registrera det svaga ljuset, betonar Susan Savage.
Den huvudsakliga applikationen är att upptäcka biologiska organismer.

Vattenkvalitet
Den mest spektakulära tillämpningen av registrering av fluorescens med hjälp av UV-sensorer är för kontinuerlig övervakning av vattenkvalitet. Tänk om staden Östersunds vattenverk hade haft tillgång till en sådan! Kanske man på ett tidigt stadium hade kunnat kartlägga varifrån mikroorganismerna härstammade och på så sätt begränsat mängden förorenat vatten.

Av diagrammet framgår hur tydliga indikationer man kan få. Där visas påförd ljusvåglängd på vertikalaxeln och registrerad våglängd på horisontalaxeln. Den övre bilden visar mönstret för E.coli-bakterier och den nedre för en annan bakterie av typen Bacillus. Från denna graf kan man således direkt sluta sig till vad slags förorening vattnet innehåller.
Ytterligare en applikation för metoden är att indikera olja i havsvatten. Ett projekt inom Swedish-ICT-koncernen, i vilken Acreo ingår, leds av Interaktiva Institutet under namnet Ocean Search. Meningen är att sensorer skall placeras ut på ett stort antal fritidsbåtar som från vitt skilda positioner skall rapportera in oljeförekomst och andra föroreningar i havsvattnet. Med hjälp av fluorescens och UV-detektor blir det möjligt att registrera ytterst små oljemängder.

Känsliga sensorer
Det våglängdsområde som en halvledarsensor reagerar för beror på dess bandgap. För ultraviolett strålning behövs ett bandgap som är mycket större än kisels. Kiselkarbid, SiC, och galliumnitrid, GaN, är därför lämpliga material. De detekterar bara UV-våglängder och kräver därför inte externa filter för att filtrera bort synligt ljus vilket ökar signal-brus-förhållandet.
Acreo har arbetat med SiC under många år och har nu utvecklat en mogen teknik för SiC-sensorer. Man har lyckats åstadkomma fotodioder med lavineffekt, ”avalanche photodiodes” som ger hög känslighet. Genom att lägga på lämplig förspänning, alldeles under den spänning där dioden får ett lavingenombrott, kan en mycket liten ljusmängd orsaka ett stort spänningssprång. Känsligheten är så hög att det blir möjligt att räkna enstaka fotoner!
SiC är ett mycket stabilt material och man behöver normalt inte bekymra sig för temperaturdrift i sensorn. Materialets begränsning ligger i att bandgapet är fast. Det innebär att sensorns våglängdsområde inte kan påverkas.
För att nå andra våglängdsområden forskar Acreo för att få fram UV-dioder i galliumnitrid för andra spektra genom att legera GaN med exempelvis aluminium, Al, eller indium, In.
På så sätt kan man skräddarsy bandgapet för att få UV-känslighet bara under en viss våglängd. Sensorn kan därmed göras ”solblind”, dvs okänslig för solstrålar i det spektrum som passerar atmosfären. Detta beror på att atmosfärens ozonskikt absorberar all UV-strålning med våglängder under 280 nm.

Zinkoxid och nanotråda
r
ZnO är ett lämpligt material för UV-sensorer med tanke på att det har ett bandgap på 3,3 eV. Det kan också användas för UV-lysdioder, solceller, gas- eller biosensorer.
Fördelen med att åstadkomma endimensionella nanostrukturer i form av trådar, rör eller band, är att det blir möjligt att skräddarsy deras bandgap, och därigenom välja lämpligt våglängdsområde.
En ny utvecklingsväg i ett arbete mellan KTH och Acreo är att skapa nanotrådar/nanoblommor i zinkoxid, ZnO. Se inledande foto. Dessa blommor består av trådar med diametern kring 80 nm, och längder mellan 1 och 10 µm.

Fördelen med nanotrådar/nanoblommor är dessutom att de får en mycket stor yta i förhållande till basytan vilket ökar detektorns kvantverkningsgrad.

Qin Wang, senior forskare inom nanoelektronik, berättar om nanostavar i ZnO för UV-sensorer, framställda med kemisk syntes. Deras kristallstruktur, kemiska sammansättning och morfologi karakteriserades genom sitt absorptionsspektrum i UV-området, röntgen-fotoelektronspektroskopi (XPS), svepelektronmikroskop, SEM, och atomic force microscopy, (AFM).

Tvåstegsprocess
Nanotrådar/nanoblommor tillverkas i en kemisk tvåstegsprocess: * På ett kiselsubstrat av p-typ läggs först ett skikt av ZnO av n-typ.
* På substratet läggs ett lager av fotoresist med 2 µm breda hål. I dessa hål kommer sedan trådar av zinkoxiden att växa genom den kemiska processen. Nanotrådarna har en diameter av ca 80 nm och de blir ca 2 µm långa.
P- och N-skikten bildar tillsammans en ljuskänslig diod för UV.

Fluorescensmätning

För att mäta fluorescens krävs det förutom en UV-detektor dessutom en lysdiod med ett spektrum som på lämpligt vis skiljer sig från UV-detektorns spektrum. I exemplet i diagrammet ovan används en ljuskälla, LED, för mellan 250 och 335 nm och en detektor för området 300 till 550 nm.
Ljuskälla och detektor byggs lämpligen upp på ett gemensamt substrat, så som schematiskt till vänster i figuren. Hybridtekniken för detta utvecklas för närvarande inom Acreo.

Om både ljuskälla och detektor görs i nitrider av Ga, Al eller In (ur periodiska systemets tredje kolumn), s k III-N-material finns det möjlighet att göra monolitiska integrationer, så som visas till höger.
Uppbyggnaderna görs av tunna skikt med växelvis olika bandgap för att skapa kvantbrunnar, vilkas sammansättning bestämmer våglängden för lysdioden eller detektorn.

IMAGIC – Kompetenscenter för optokomponenter
För fyra år sedan beslöt Vinnova att tillsammans med KK-stiftelsen och SSF stödja en etablering av åtta kompetenscentra. Ett av dem är IMAGIC, (IMAGing Integrated Components) hos forskningsinstitutet Acreo. Forskningscentrat samarbetar med KTH, samt till viss del med Linköpings universitet och Mittuniversitetet. 11 medlemsföretag från industrin deltar i samarbetet: Flir Systems, Tycho Electronics, Sensonor, Saab, Autoliv, Scint-X, OptoNova, ScandiDos, IRnova, Optronic, och Note. Förutom dessa stödjer FMV IMAGICs projektverksamhet utan att vara part.
– Målet är att komma svensk industri till del, säger Jan Y Andersson, föreståndare för IMAGIC som bedriver forskning inom avbildning med icke-synligt ljus.
Med såväl högskolor som industri och samhälle delaktiga är IMAGIC ett gott exempel på ”Triple helix”. Centrumet arbetar inom följande delområden:
* Termisk avbildning i det infraröda våglängdsområdet, IR, både med kylda sensorer och med sensorer som arbetar i rumstemperatur.
* Känslig detektering och avbildning med ultravioletta ljusvåglängder, UV.
* Avbildning med röntgenstrålning, med applikationer inom medicin och tandvård. Läs mer om röntgenavbildning i EiN nr 1/2011, sid 8.
* Tera-Herz-frekvenser. Dessa används bl a för avbildning vid flygplatskontroller. Potentiellt kommer tekniken också att kunna användas för medicinska tillämpningar.

Jan Y Andersson, föreståndare för IMAGIC, och Susan Savage, vice föreståndare för IMAGIC.

Comments are closed.