Sollen in industriellen Prozessen Lacke und Klebstoffe gehärtet werden, greifen Hersteller vielfach zu UV-Lampen. Wie viel dieser UV-Strahlung auf den Oberflächen landet, überprüfen Sensoren. Da letztere zu schnell altern, erlauben sie bislang jedoch nur Momentaufnahmen. Neuartige Sensoren dagegen können die Intensität kontinuierlich überwachen.
Beim Wort »UV-Strahlung« schrillen bei den meisten Menschen die Alarmglocken – der Begriff wird mit Sonnenbrand und Hautkrebsrisiko gleichgesetzt. Doch es gibt auch einen positiven Effekt: Der menschliche Körper braucht das UV-Licht, um Vitamin D zu bilden. Auch in der Industrie nutzt man das UV-Licht, beispielsweise um Lacke auf Lebensmittelverpackungen oder Klebstoffe auszuhärten, aber auch um Wasser zu desinfizieren. Trifft allerdings zu viel Strahlung auf die Oberflächen, werden diese geschädigt, Energie wird unnötig verbraucht und viel Ozon erzeugt. UV-Sensoren helfen daher, die Lichtintensität im optimalen Bereich zu halten.
Üblicherweise bestehen die Sensoren aus Silizium oder Siliziumkarbid. Das Problem: Silizium-Sensoren können nur dann sinnvolle Ergebnisse liefern, wenn sichtbares Licht aus der gemessenen Strahlung herausgefi ltert wird. Diese Filter wiederum sind jedoch teuer und nicht sonderlich UV-resistent – um sie nicht allzu sehr zu belasten, sind lediglich Momentaufnahmen möglich. Sensoren aus Siliziumkarbid dagegen halten zwar die UV-Strahlung gut aus, decken allerdings nur einen kleinen Spektralbereich ab. In den meisten industriellen Härtungsprozessen kommt es jedoch gerade auf den langwelligen Bereich an, in dem diese Sensoren ungenau arbeiten.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg haben nun einen neuen UV-Sensor entwickelt, gemeinsam mit ihren Kollegen der Fraunhofer-Institute für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, für Siliziumtechnologie ISIT und für Physikalische Messtechnik IPM. »Unser Sensor basiert auf Aluminiumgalliumnitrid und übersteht dauerhafte UV-Strahlung unbeschadet«, sagt Dr. Susanne Kopta, Projektleiterin am IAF. »Somit ermöglicht er nicht nur Momentaufnahmen, sondern ein permanentes Inline-Monitoring.« Basis für die Sensoren bildet ein Saphir-Wafer. Auf diesen bringen die Forscher epitaktisch die aktiven Schichten auf, das bedeutet die Schichten haben also eine Kristallstruktur.
Sensor für hohe UV-Intensitäten
Die Stärke des neuartigen Sensors liegt vor allem in Anwendungen, bei denen sehr hohe UV-Intensitäten auftreten – und solchen, bei denen ein ganz spezieller Spektralbereich beobachtet werden soll. Denn die Detektoren lassen sich auf zwei verschiedene Weisen einstellen: Entweder legen die Forscher eine Schwell-Wellenlänge fest. Der Sensor detektiert dann sämtliche UV-Strahlen, deren Wellenlänge unter dieser Schwell-Wellenlänge liegt. Oder man legt zwei Grenzwellenlängen fest und »schneidet« somit einzelne Bereiche des Spektrums heraus. »Der kleinste abbildbare Bereich umfasst dabei 20 Nanometer Wellenlängendifferenz«, konkretisiert Kopta. So ist es beispielsweise denkbar, einen Sensor für UV-A, einen weiteren für UV-B und einen für UV-C-Strahlung herzustellen. Doch wie stellen die Forscher die Wellenlängen ein, die der Sensor wahrnimmt? »Das geschieht über das Verhältnis von Gallium zu Aluminium in einer der Aluminiumgalliumnitrid-Schichten«, sagt Kopta.
Dieses Verhältnis festzulegen, ist eine der Herausforderungen, denen sich die Forscher momentan stellen. Weitere Herausforderungen liegen darin, den Aluminiumgalliumnitrid-Kristall – das Herzstück des Sensors – so zu wachsen, dass er frei von strukturellen Defekten und Verunreinigungen ist. Denn das hätte zur Folge, dass einzelne Stellen andere Wellenlängenbereiche detektieren würden als der Rest des Sensors, das Ergebnis wäre verfälscht. »Den großen Parameterraum bei der Herstellung der Kristallschichten zu beherrschen, ist der kniffelige Teil – auf jeden Fall braucht man viel Erfahrung«, erläutert Kopta.
Einzelne Demonstratoren sind bereits fertig. In weiteren Schritten wollen die Forscher nun das Kristallwachstum optimieren und die Grenzen der Wellenlängenbereiche schärfer ziehen. Auch die Lebensdauer der Bauelemente kommt auf den Prüfstand: Die Ergebnisse sind bereits vielversprechend. »Erste Messungen haben gezeigt, dass die Sensoren 1000 Stunden bei hoher Leistung unbeschadet überstehen«, bestätigt Kopta.
UV-Sensoren als Teamplayer
Doch die UV-Sensoren eignen sich nicht nur als »Einzelkämpfer«, sie sind auch gute Teamplayer. In einer Zeile angeordnet bilden über 100 Detektoren nebeneinander eine UV-Kamera. Mit ihr lassen sich etwa Plasmaprozesse überwachen, mit denen zum Beispiel Antireflektionsschichten auf Solarzellen aufgebracht werden. Auch als Spektrometer kann diese Sensorzeile dienen: Dabei führt man das UV-Licht durch ein Gitter. Wie beim Regenbogen spaltet man es in die verschiedenen spektralen Bestandteile und detektiert mit den einzelnen Sensoren die jeweilige Intensität der verschiedenen Wellenlängen. So könnte man etwa Quecksilberlampen, wie sie bei der Wasseraufbereitung und bei der UV-Härtung zum Einsatz kommen, auf ihre Tauglichkeit überprüfen. Strahlt die Lampe über das gesamte Spektrum noch so intensiv, wie sie sollte? Oder sind einzelne Wellenlängen schon abgeschwächt?
Auf der Messe Sensor + Test vom 14. bis 16. Mai in Nürnberg stellen die Forscher die neuartigen UV-Sensoren für verschiedene Wellenlängen vor.
(Fraunhofer-Gesellschaft, 29.04.2013 – KSA)
