DE102007041395A1 - UV dosimeter with self-supply and warning signal (display) - Google Patents
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Abstract
Dünnes, flexibles und preisgünstiges UV-Dosimeter welches die absorbierte Dosis in Abhängigkeit von Bestrahlung und Zeit als Messwert anzeigt und/oder nach Erreichen einer bestimmten Dosis ein Warnsignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass es ohne zusätzliche Stromversorgung auskommt, dass es auf einem dünnen, flexiblen Trägermaterial hergestellt wird, dass es aus mindestens einer Solarzelle, einem Kondensator, einer Transistorschaltung und einem Signalgeber und/oder einer Anzeige besteht und dass alle Bauelemente in Dünnschichttechnik hergestellt werden.thin, flexible and affordable UV dosimeter which absorbed the Dose as a function of irradiation and time as measured value indicates and / or after reaching a certain dose, a warning signal gives off, characterized in that it without additional Power supply manages that on a thin, flexible Carrier material is made that it consists of at least a solar cell, a capacitor, a transistor circuit and a signal generator and / or a display and that all components be produced in thin film technology.
Description
Die Erfindung betrifft ein dünnes, flexibles und preisgünstiges UV-Dosimeter welches nach Erreichen einer bestimmten Dosis in Abhängigkeit von Bestrahlung und Zeit entweder einen Wert anzeigt und/oder ein Warnsignal abgibt. Das Dosimeter funktioniert ohne zusätzliche Stromquelle, wie z. B. Batterien.The The invention relates to a thin, flexible and inexpensive UV dosimeter which depends on reaching a certain dose of irradiation and time either indicates a value and / or a Gives warning signal. The dosimeter works without additional Power source, such. B. batteries.
[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 Teststreifen hergestellt werden. Sie enthalten aber keine Warnfunktion bzw. quantitative Messung.Known UV dosimeters are often based on photochromic layers, which change their color when irradiated. Such dosimeters can be cheap as disposable items in the form of small test strips getting produced. But they contain no warning function or quantitative Measurement.
Bei
rein visueller Auswertung erhält man praktisch nur eine
qualitative Aussage durch Vergleich mit einer Referenzfarbskala.
Mittels fotometrischer Auswertung erhält man auch quantitative
Aussagen, jedoch bedarf dies eines zusätzlichen Messvorganges
mit einem geeigneten Messgerät. Für die Dosisbestimmung
in strahlenhärtenden Verfahren in der Druck- und Beschichtungsindustrie
wird dieses System von der Firma Hönle AG unter dem Namen UV
Scan abgeboten. Jedoch ist dies insbesondere 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, die die vom UV-Sensor generierte Ladung über
die Messzeit integriert und schließlich die gemessene Dosis
zur Anzeige bringt. Beispiele findet man in
In
Eine
andere Lösung beschreibt
[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 einwirkt. Dies ist z. B. von Bedeutung beim Sonnenbaden unter natürlichem oder künstlichen Sonnenlicht, sonstigen Freizeit- oder Arbeitsaktivitäten im Freien oder in technischen Prozessen, bei denen UV-härtende Materialien verarbeitet werden.The The invention relates to a dosimeter for determining the dose of UV rays, which acts on a person or an object. This is z. B. Of importance when sunbathing under natural or artificial Sunlight, other leisure or work activities outdoors or in engineering processes where UV-curing Materials are processed.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches, kleines, leichtes, flexibles und preiswertes UV-Dosimeter 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 (kompakt, flexibel, preiswert) mit denen eines elektronischen Dosimeters (integrierte Alarmfunktion bzw. Anzeige eines Messwertes) zu vereinen. Das erfindungsgemäße UV-Dosimeter kann in Form eines kleinen Teststreifens platzsparend am Körper, der Kleidung oder Gegenständen angebracht werden. Auf Grund der geringen Fertigungskosten ist es für den einmaligen Gebrauch vorgesehen.task The invention is a simple, small, lightweight, flexible and inexpensive UV dosimeter for mobile use too create, which manages without additional power supply and displays the dose value or if it exceeds a certain Value gives a warning signal. The aim of the invention is ultimately the advantages of a photochromic test strip (compact, flexible, inexpensive) with those of an electronic dosimeter (integrated alarm function or display of a measured value). The invention UV dosimeter can save space in the form of a small test strip attached to the body, clothing or objects become. Due to the low production costs it is for intended for single use.
Die Lösung der Aufgabe wird dadurch erreicht, dass das Dosimeter als integrierte Schaltung in Dünnschichttechnik auf einer flexiblen Kunststofffolie vorliegt. 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 μm und darunter. Die Gesamtschichtdicke eines aus mehreren funktionellen Schichten aufgebauten elektronischen Bauelements sollte 10 μm nicht überschreiten (ohne Substrat und Verkapselung).The Solution of the problem is achieved by the dosimeter as an integrated circuit in thin film technology on one flexible plastic film is present. As a photosensitive element a thin film solar cell is used, which also has one charged in thin-film technology capacitor charges. Thin functional layers according to the invention have Layer thicknesses of approx. 1 μm and below. The total layer thickness a built of several functional layers electronic Component should not exceed 10 microns (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. ein OLED (organische Leuchtdiode)-, ein elektrochromes oder ein elektrophoretisches Display sein, welches ebenfalls in Dünnschichttechnik in das Foliensubstrat integriert wird. Eine Ansteuerschaltung für das Display kann mittels Dünnschichttransistoren (TFT) realisiert werden. Zusätzlich oder an Stelle des Displays kann ein elektroakus tisches 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 Dünnschichttransitoren angeregt wird. Ein elektrooptischer Signalgeber kann z. B. eine einzelne OLED sein. Um den Kondensator beim Betrieb des Signalgebers nicht zu stark zu belasten, kann zum Treiben des Signalgebers ein Dünnschichttransistor eingefügt werden.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 z. As an OLED (organic light emitting diode) - be an electrochromic or an electrophoretic display, which is also integrated in thin film technology in the film substrate. A drive circuit for the display can by means of Thin-film transistors (TFT) can be realized. In addition to or instead of the display, an electroacoustic or electro-optical component can be integrated which emits a signal when a threshold value is reached. An electro-acoustic signal generator can, for. B. be a thin piezoelectric vibrator, which is excited with an oscillator circuit consisting of thin film transistors. An electro-optical signal generator can, for. B. be a single OLED. In order not to overload the capacitor when operating the signal generator, a thin-film transistor can be inserted to drive the signal generator.
Für die Energieversorgung des Displays oder Signalgebers kann eine zweite Solarzelle oder eine Reihenschaltung von Solarzellen (Solarmodul) integriert werden, welche im Gegensatz zur UV-sensitiven Solarzelle auch über einen größeren Spektralbereich empfindlich sein kann und vorteilhafterweise auch über eine größere Fläche verfügt.For the power supply of the display or signal generator can be a second Solar cell or a series connection of solar cells (solar module) integrated which, in contrast to the UV-sensitive solar cell also over be sensitive to a wider spectral range can and advantageously also over a larger Area has.
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.Around a linear dependence of the voltage of irradiation and achieve time, it is beneficial to use the capacitor over to load an operational amplifier. The operational amplifier, which can be realized with thin-film transistors, forms an integrator with the capacitor and a resistor.
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.The Spectral sensitivity of the solar cell is preferably to be set that it absorbs UV light, but in the visible spectral range insensitive. This can be achieved by appropriate selection of the absorbent semiconductor material which is a large Band gap (greater about 3 eV) have should. Alternatively or in parallel, spectral filters can be used non-relevant parts of the light spectrum are hidden. Farther can be parts of the UV spectrum, in particular from the UV-B range, in which the solar cell is not sufficiently sensitive, converted by fluorescent substances into longer-wave light become.
Durch 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.By suitable dimensioning of the components (solar cell, capacitor, Resistors) can be dosimeters for different measuring ranges or threshold dose values can be realized. In general it is Also required to connect several solar cells in series to the for driving the active components (eg transistors, OLEDs, piezo oscillators, display) necessary tensions.
Die zur Herstellung der Dünnschichtbauelemente erforderlichen Funktionsmaterialien (Halbleiter, Leiter, Isolatoren) können sowohl organischer Natur (z. B. konjugierte Polymere oder Oligomere, Fullerene), anorganischer Natur (Metalle, transparente leitende Oxide (z. B. ITO, ZnO)) und auch Komposite aus organischen und anorganischen Materialien sein. Für die Fertigung können die bekannten Dünnschichtbeschichtungs- und -strukturierungsprozesse wie Drucken, Rakeln, Freifallbeschichtung, Gießbeschichtung, Tauchbeschichtung, Elektrodeposition, sein 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.The required for the production of thin-film components Functional materials (semiconductors, conductors, insulators) can both organic (eg conjugated polymers or oligomers, fullerenes), inorganic nature (metals, transparent conductive oxides (eg. ITO, ZnO)) and also composites of organic and inorganic Be materials. For the production, the known thin film coating and patterning processes such as printing, knife coating, free-fall coating, casting coating, Dip coating, electrode position, coating, vapor deposition (PVD, CVD), sputtering, lithography, laser structuring and the like a. be used. In terms of a low-cost manufacturing such materials and Preferred processes that are highly productive, energy efficient and enable cost-effective production. Especially soluble organic materials in combination with wet coating or printing processes seem particularly suitable.
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.Of the if necessary, the entire circuit structure is provided by means of transparent high-barrier layers or encapsulated. This is especially necessary when solar cells, OLEDs and TFTs from organic materials are used.
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.to better adhesion to persons or objects can the The back of the sensor is exposed to an adhesive layer so that the sensor is similar to a patch or an adhesive strip can be used.
Beispiel 1example 1
Dieses
Beispiel zeigt eine Variante des UV-Sensors bestehend aus einer
UV-empfindlichen Solarzelle
Beispiel 2Example 2
Dieses
Beispiel zeigt eine Variante des UV-Sensors mit linearisierter Kennlinie
bestehend aus einer oder mehreren UV-empfindlichen Solarzellen
Beispiel 3Example 3
Ein
Solarmodul, bestehend aus fünf in Reihe geschalteten polymeren
Dünnschichtsolarzellen mit der fotoaktiven Schicht Poly-3-hexylthiophen/[6,6]-Phenyl-C61-Butyrsäuremethylester (Schichtdicke
? nm), wird mit einem Kondensator der 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
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
- 11
- UV-empfindliche SolarzelleUV-sensitive solar cell
- 22
- Solarzelle zur Energieversorgungsolar cell for energy supply
- 33
- Widerstandresistance
- 44
- Kondensatorcapacitor
- 55
- Anreicherungs-FeldeffekttransistorEnhancement field effect transistor
- 66
- organische Leuchtdiodeorganic led
- 1111
- UV-empfindliche SolarzelleUV-sensitive solar cell
- 1212
- Solarzelle zur Energieversorgungsolar cell for energy supply
- 1313
- Widerstandresistance
- 1414
- Kondensatorcapacitor
- 1515
- Operationsverstärkeroperational amplifiers
- 1616
- organische Leuchtdiodeorganic led
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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