一种采用GaN紫外探测器的便携式紫外辐射计

　　1　引　言

　　传统的紫外辐射计大多采用紫外增强型硅光二极管作为传感器,接受紫外辐射,进行测量;或者是在普通硅光二极管前面加一层荧光材料,由紫外辐射激发荧光材料发出可见光,再通过硅光二极管接受光信号,进行紫外辐射的测量。第一种方案由于硅光二极管的光谱响应峰值在可见光区,在传感器前须加上多层的滤光片以减小或消除可见光及红外光对测量结果的影响,不但增加了成本,而且传感器头部体积较笨重,并且由于目前的技术水平所限,紫外增强型硅光二极管尚不能对紫外全波段有较好的响应,所以可见光抑制比低,精度较差。后一种方案中,由于荧光材料稳定性较差,且仅有某一波长范围的紫外辐射才能使其发光,故精度更是难以保证。

　　PIN结构的氮化镓(GaN)基紫外探测器由于其量子效率高、噪声低、响应速度快、光谱响应峰值在紫外波段,因此,用它作为探测器件的紫外线照度计具有较高的灵敏度,并且由于它对波长大于365nm的可见光和红外光不响应,可见光抑制比高,不需另加滤光片就能直接用来测量紫外线辐照强度,因此可以得到较高的测量精度[1]。

　　2　系统的硬件实现

　　该辐射计采用9V叠层电池供电,带量程选择和读数锁定功能。其量程包含有0～1.999W/m2、0～19.99 W/m2、0～199.9 W/m2、0～1999 W/m2四档可供选择。其硬件电路可分为三部分:紫外信号的采集与放大、量程的选择与测量结果的显示。其原理方框图如图1所示。

　　紫外信号的采集采用了氮化镓(GaN)基紫外探测器。该器件是由中国科学院上海技术物理研究所最新研制的氮化镓(GaN)基PIN结构的紫外探测器,图2为其光谱响应曲线。

　　从图2中可以看出,该探测器件在波长300nm～365nm范围内的紫外波段有较高的光谱响应,且响应光谱曲线相当平直,将其运用于自外辐射的UVA波段是一个理想的选择;而响应光谱曲线在365nm左右有一个陡峭的截止,在可见光及红外波段,其响应为零,可见光抑制比可达两个数量级(102)以上。紫外探测器产生的微小电信号,经由美国Intersil半导体公司的高输入阻抗集成运算放大器CA3130A[2]进行信号放大。信号放大部分如图3所示。

　　图3中,RV1为调零电位器,R5～R8为各个量程的反馈电阻,R8=10R7=100R6=1000R5,RV2～RV5分别为各量程的调零电位器,A、A1～A4为量程选择电路的一组四位模拟开关。量程选择电路由7位二进制串行计数器CD4024B[3]和双四选一模拟开关CD4052B[4]组成。量程选择部分电路原理如图4所示。

　　图4中,CD4024B的1脚为脉冲输入端,PB为量程选择按钮,R10、R9,电容C4可防止量程选择按钮按下时,由于簧片接触抖动产生的尖脉冲而造成的误动作。当CD4024B的输入端每接收一个正脉冲时,Q1、Q2及CD4052B的两组模拟开关的真值表如表1所示。