本期，我們邀請(qǐng)到蘇州鎵敏光電科技有限公司技術(shù)總監(jiān)周東帶來了“紫外光電探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用”的精彩主題分享，以下為主要內(nèi)容：
1.紫外光電探測(cè)器的市場(chǎng)預(yù)期
在全球光電傳感器市場(chǎng)中：紫外傳感器的市場(chǎng)份額雖然較可見光和紅外探測(cè)器的市場(chǎng)份額要小，但預(yù)計(jì)到2021年市場(chǎng)總額也達(dá)到27.4億美元，年增長率超過19%；基于紫外傳感器的應(yīng)用產(chǎn)品市場(chǎng)要龐大很多，遍布在工業(yè)、環(huán)境、食品、電力和醫(yī)藥衛(wèi)生各個(gè)領(lǐng)域，市場(chǎng)規(guī)模超過200億美金。
From “Global UV Sensors Market Research Report - Industry Analysis, Size,
Share, Growth, Trends And Forecast till 2025”
2.紫外消毒輻射劑量測(cè)量
紫外線通過對(duì)微生物（細(xì)菌、病毒、芽孢等病原體）的輻射損傷和破壞核酸的功能，從而使微生物致死，達(dá)到消毒和滅菌的目的，滅活效果取決于紫外輻射劑量。紫外光源中有效紫外光輻射強(qiáng)度與輻射時(shí)間決定了物體接收到的紫外輻射劑量。
國家衛(wèi)生部頒布的《消毒技術(shù)規(guī)范》第三3版第2分冊(cè)（紫外線消毒的效果監(jiān)測(cè)）中明文規(guī)定：新出廠30W紫外線燈管在下方中央垂直1m處測(cè)定輻射強(qiáng)度應(yīng)>90 mW/cm2方可使用；輻射強(qiáng)度低于70 mm/cm2的紫外線燈管及時(shí)更換。紫外線安全消毒，輻照強(qiáng)度監(jiān)控必不可少。
3.空氣類：紫外消毒輻射強(qiáng)度測(cè)量
空調(diào)、空氣凈化器等白色家電在經(jīng)過長期使用后，其內(nèi)部會(huì)附著大量的塵埃，在這些塵埃中會(huì)滋生大量的細(xì)菌和病毒。中國疾病預(yù)防控制中心通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，空調(diào)散熱片的每平方厘米的細(xì)菌含量達(dá)288-1200cfu，霉菌含量達(dá)320-960cfu，最高數(shù)量可超過馬桶的60倍。
紫外消毒燈表面沾污后，嚴(yán)重影響有效紫外光的出射強(qiáng)度，紫外消毒將形同虛設(shè)。紫外消毒輻照強(qiáng)度監(jiān)控必不可少。
4.飲用水：紫外消毒輻射劑量測(cè)量
據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)告，目前全球有大約10億人缺乏安全的飲用水，每年有200萬以上人由于飲用沒有被充分消毒的水而死于腹瀉性疾病。紫外線滅菌具有無色無味無化學(xué)物質(zhì)遺留的優(yōu)點(diǎn)，在水處理和空氣凈化領(lǐng)域代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氯、臭氧殺菌技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。 但是，要想安全可靠地使用紫外線進(jìn)行滅菌，必須使用紫外傳感器對(duì)紫外線輻射劑量進(jìn)行監(jiān)控。
根據(jù)美國給水工程協(xié)會(huì)（American Water Works Association）在2008年出版的“紫外水消毒手冊(cè)”，紫外水消毒系統(tǒng)必須安裝在線紫外強(qiáng)度監(jiān)測(cè)探頭（on-line UV sensor）。
根據(jù)USEPA 2006要求：1. 紫外輻照強(qiáng)度要連續(xù)監(jiān)測(cè)，并至少每4小時(shí)做一次記錄；2. 紫外傳感器至少要每月校準(zhǔn)一次。
紫外消毒汞燈的有效出光效率可達(dá)到30%，UVC波段深紫外LED的外量子效率則比較低，EQE普遍在10%以下，商業(yè)化產(chǎn)品基本在1-3%。
紫外消毒光源存在問題：1．消毒燈輸出光功率會(huì)持續(xù)衰減；2．國產(chǎn)消毒燈實(shí)際使用壽命與技術(shù)指標(biāo)有較大出入。
4.安全飲用水：在線水質(zhì)檢測(cè)
凈水器芯片能夠起到過濾水中有害物質(zhì)，殺滅細(xì)菌，凈化水質(zhì)的作用，注意定期更換凈水器的芯片，這樣才能保證良好的凈化效果。如果凈水器芯片長時(shí)間不更換，則會(huì)對(duì)水質(zhì)造成二次污染。
傳統(tǒng)水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)主要是基于電化學(xué)分析或化學(xué)染色技術(shù)，不僅需要專人維護(hù)，而且存在廢液處理問題。這樣的系統(tǒng)價(jià)格昂貴，無法直接安裝在飲水機(jī)等家用終端設(shè)備上。隨著高性能紫外感光芯片的出現(xiàn)，基于紫外吸收光譜方法的水質(zhì)在線檢測(cè)技術(shù)日益成熟。
中國的凈水器年銷量約為1500萬臺(tái)，且隨著人們健康意識(shí)的增強(qiáng)，凈水機(jī)市場(chǎng)呈現(xiàn)爆炸性增長。
5. 紫外固化過程工藝監(jiān)控
紫外固化工藝在半導(dǎo)體芯片制程、現(xiàn)代化工、涂料和印刷行業(yè)具有舉足輕重的地位，已經(jīng)觸及到普通人生活的各個(gè)層面，產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大。由于紫外固化過程必須保證精準(zhǔn)，紫外輻射強(qiáng)度的在線監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。
目前紫外固化系統(tǒng)中，多采用獨(dú)立UV能量計(jì)定期對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)；在線集成實(shí)時(shí)檢測(cè)紫外輻照強(qiáng)度尚未形成行業(yè)標(biāo)配，具有巨大的市場(chǎng)空間和需求。
在紫外固化過程中，紫外光強(qiáng)度及劑量決定了最終的固化效果。紫外光能量需適中，紫外光能量不足時(shí)，容易造成無法完全固化；紫外光能量過量時(shí)；則會(huì)浪費(fèi)能源，同時(shí)引起固化的負(fù)效應(yīng)，如爆聚、反固化反應(yīng)等等。
6.日照紫外線指數(shù)監(jiān)控
據(jù)國際IFSA組織的市場(chǎng)研究報(bào)告，38%的受訪者希望未來智能手機(jī)上能夠集成日照紫外線指數(shù)傳感器，相應(yīng)紫外探測(cè)器的市場(chǎng)需求及其龐大。三星Note手機(jī)、三星Gear S手環(huán)微軟手環(huán)上均已集成紫外傳感器。
根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在美國皮膚癌的發(fā)病率接近20%，也就是說平均每5個(gè)人就有1人在其一生中會(huì)得一次皮膚癌，而且這個(gè)數(shù)字仍在逐年上升。 國際上每?jī)赡暾匍_“UV and Skin Cancer Prevention Conference”。
7.其他重要應(yīng)用領(lǐng)域
二、第三代半導(dǎo)體紫外探測(cè)器
基于新型寬禁帶半導(dǎo)體材料（如: GaN、SiC）的紫外感光芯片具有顯著的潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，是世界各主要國家研發(fā)的重點(diǎn)。氧化鎵，金剛石，氮化硼等寬禁帶材料成熟度相對(duì)低。
基于SiC和GaN的常規(guī)結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控、火焰探測(cè)、紫外固化和紫外消毒設(shè)備的輻照劑量監(jiān)控等領(lǐng)域。
目前國際上，有多家氮化鎵和碳化硅紫外探測(cè)器相關(guān)企業(yè)，其中有以德國的sglux和ifw為代表的碳化硅基紫外探測(cè)器，韓國genicom為代表的氮化鎵紫外探測(cè)器。國內(nèi)企業(yè)中，鎵敏光電是同時(shí)擁有氮化鎵和碳化硅紫外傳感技術(shù)的企業(yè)。
不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ贤馓綔y(cè)器的性能指標(biāo)有不同的要求。鎵敏光電的紫外傳感器已在諸多領(lǐng)域取得規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了不同紫外強(qiáng)度范圍，測(cè)量強(qiáng)度范圍跨越9個(gè)數(shù)量級(jí)。
三、紫外光電檢測(cè)市場(chǎng)存在問題
當(dāng)前，紫外固化行業(yè)全球無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各紫外能量計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)各不相同。關(guān)于紫外光電檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，不僅僅是在紫外固化行業(yè)存在此類現(xiàn)象，同樣在紫外消毒領(lǐng)域，各品牌的監(jiān)測(cè)產(chǎn)品同樣測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)差異較大，測(cè)試出來的數(shù)據(jù)相差也很多。
目前紫外光電檢測(cè)市場(chǎng)，存在著缺少統(tǒng)一光源及校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，不同品牌的紫外能量計(jì)、紫外檢測(cè)模塊及紫外探頭輸出數(shù)據(jù)各不相同的問題。
目前市場(chǎng)上常見的半導(dǎo)體紫外探測(cè)器，包括硅基紫外探測(cè)器和氮化鎵、碳化硅基寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測(cè)器。常規(guī)Si探測(cè)器對(duì)可見光具有強(qiáng)烈響應(yīng)，對(duì)紫外光無響應(yīng)；紫外增強(qiáng)型Si探測(cè)器在UVC波段響應(yīng)較低，此外，進(jìn)行紫外光檢測(cè)時(shí)需使用UV濾光片。
基于第三代半導(dǎo)體的GaN和SiC紫外探測(cè)器，具有對(duì)可見光無響應(yīng)的天然優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行紫外檢測(cè)時(shí)可不需要使用特定的紫外濾光片。GaN材料體系具有帶隙可調(diào)的優(yōu)勢(shì)，GaN基紫外探測(cè)器波長范圍覆蓋紫外到近紫外波段。SiC基紫外探測(cè)器具有穩(wěn)定性優(yōu)、暗電流低等優(yōu)點(diǎn)。
紫外探測(cè)器的響應(yīng)度與波長密切相關(guān)，同一紫外探測(cè)器在不同波長紫光照射下，即使其紫外光源強(qiáng)度相同，探測(cè)器輸出信號(hào)也不會(huì)相同。因此，在紫外強(qiáng)度檢測(cè)應(yīng)用中，如果離開波長只談波段其實(shí)并不科學(xué)。比如在紫外固化應(yīng)用中，用于固化的365nm、385 nm、395 nm均屬于UVA的波段,但在進(jìn)行紫外強(qiáng)度檢測(cè)時(shí)，從嚴(yán)格意義上講，應(yīng)該結(jié)合具體波長來看。紫外光強(qiáng)檢測(cè)中，離開波長，只談波段并不科學(xué)，業(yè)界需達(dá)成共識(shí)，形成統(tǒng)一檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)于蘇州鎵敏光電科技有限公司
公司創(chuàng)立于2019年，是由南京大學(xué)長江學(xué)者、留美歸國博士和南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)共同創(chuàng)辦的高新技術(shù)企業(yè)，專業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)新一代的高靈敏度紫外探測(cè)器件與應(yīng)用模塊，并提供與紫外探測(cè)相關(guān)的技術(shù)咨詢與服務(wù)。致力于研發(fā)和生產(chǎn)基于新型寬禁帶半導(dǎo)體材料的高性能紫外探測(cè)器。
目前，鎵敏光電同時(shí)擁有氮化鎵和碳化硅紫外探測(cè)技術(shù)，已建成完整的器件工藝線和高標(biāo)準(zhǔn)的器件檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)推出了批量的氮化鎵和碳化硅紫外傳感芯片。同時(shí)。鎵敏光電還推出了多種應(yīng)用于紫外水消毒以及紫外固化在線監(jiān)測(cè)的各種傳統(tǒng)。傳感探頭可以滿足各類的需求。
問答環(huán)節(jié)
1.Si基探測(cè)器濾波片只有254nm的嗎？若是如此，測(cè)LED是否就測(cè)不準(zhǔn)了呢？
周東：目前硅基探測(cè)器的濾光片不是只有254nm的，254nm的濾光片主要是針對(duì)消毒的，還有其他一些濾光片，比如說UVA和UVB的濾光片，這些都是存在的。如果是針對(duì)LED檢測(cè)，可以采用氮化鎵或者碳化硅材料體系的紫外探測(cè)器。如果一定要采用硅基探測(cè)器，那一定要配備相應(yīng)的濾光片。
2.若是硅基探測(cè)器，每一個(gè)波長都需要一個(gè)濾波片，是否不能通用，比如270nm和280nm，兩種探測(cè)器就不能通用是嗎？
周東：目前有帶通濾光片，比如整個(gè)UVA、UVB或者UVC波段都是可以通過的。如果要測(cè)試270nm和280nm的濾光波長，可以配備這類濾光片，結(jié)合硅基探測(cè)器是可以同時(shí)測(cè)的。但測(cè)試出來的數(shù)據(jù)，需要根據(jù)具體波長進(jìn)行具體的較準(zhǔn)。
3.目前商用紫外光探測(cè)所用寬禁帶半導(dǎo)體材料還有其他選擇嗎？GaN SiC的優(yōu)勢(shì)弊端有哪些呢？
周東：目前市場(chǎng)上較為成熟的，商業(yè)化的紫外探測(cè)器材料基本上就是氮化鎵和碳化硅材料體系。氮化鎵材料體系的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是帶隙可調(diào)，它的波長范圍可以覆蓋整個(gè)UV波段，從200納米一直到400納米都是可以覆蓋的。碳化硅材料體系的優(yōu)勢(shì)是性能非常穩(wěn)定，可靠性比較高，做出來的器件漏電流比較低。
4.Si基探測(cè)器或氮化鎵探測(cè)器，接收面尺寸有多大？
周東：目前市場(chǎng)上硅基紫外探測(cè)器及感光面積可達(dá)到平方厘米的數(shù)量級(jí)，氮化鎵紫外探測(cè)器的感光面積目前常用的是一平方毫米左右，也可以通過相應(yīng)的定制，比如說可以定制到四平方毫米或者九平方毫米之類的。
5.鎵敏光電的氮化鎵、碳化硅兩種材料探測(cè)器的壽命以及價(jià)格、性價(jià)比差異性如何？
周東：目前鎵敏光電提供的氮化鎵和碳化硅探測(cè)器，其壽命都達(dá)到萬小時(shí)以上，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的衰退。氮化鎵得益于LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，目前性價(jià)比、綜合成本相對(duì)較低，而碳化硅主要有材料的制約因素，目前相對(duì)成本要比較高。
6.現(xiàn)在工業(yè)上的紫外探測(cè)器，通過什么參數(shù)來衡量探測(cè)器的好壞？
周東：目前在工業(yè)上，紫外探測(cè)器可以通過兩個(gè)參數(shù)來進(jìn)行衡量，一個(gè)是響應(yīng)度，意味著探測(cè)器把光轉(zhuǎn)換成電的能力。另一個(gè)是探測(cè)器的暗電流，暗電流越低，那么器件的測(cè)試靈敏度就越高，精度也就越高。
7. 鎵敏光電的氮化鎵探測(cè)器更新?lián)Q代快嗎，目前的發(fā)展趨勢(shì)是什么？
周東：目前鎵敏光電的氮化鎵探測(cè)器更新?lián)Q代速度還是比較快的，目前主要是通過材料上的更新?lián)Q代，通過兩英寸向四英寸外延片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
8.紫外輻射通量測(cè)試項(xiàng)目，行業(yè)內(nèi)有沒有主波長是253.7nm的標(biāo)準(zhǔn)燈？
周東：據(jù)了解，目前行業(yè)內(nèi)并沒有主波長是253.7nm的標(biāo)準(zhǔn)燈。
9.鎵敏光電和國外品牌產(chǎn)品相比優(yōu)勢(shì)明顯嗎，同等產(chǎn)品進(jìn)口價(jià)格比大致范圍是怎樣的？
周東：鎵敏光電目前對(duì)比國外同類型產(chǎn)品，不僅在成本方面具有很大優(yōu)勢(shì)，在本土化服務(wù)方面也是具有非常大的優(yōu)勢(shì)。和國外同類型產(chǎn)品相比，鎵敏光電的器件性能達(dá)到甚至優(yōu)于國外同類型產(chǎn)品。（文字根據(jù)直播內(nèi)容編輯整理，略有刪減）
