УФ-датчики уровня жидкости на основе GaN для прямых и непрерывных измерений

Привет всем, добро пожаловать в новый пост сегодня. В этом посте представлен эксперимент, целью которого была разработка датчика уровня жидкости с использованием УФ-фотодетектора GaN.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Методика моделирования и используемые параметры

Ⅱ. Оценка полученных результатов

Ⅲ. Заключение

Несмотря на то, что вода является важным ресурсом, точное и надежное измерение ее уровня может стать настоящей проблемой, особенно в таких областях, как сельское хозяйство, океанография и инженерия. За прошедшие годы были разработаны такие методы, как распознавание ультрафиолетового света, которые являются неинтрузивным подходом и могут обеспечить быстрые измерения. Однако на эти датчики часто влияют помехи от окружающего света, что существенно ухудшает результаты измерений. Хотя фотодетекторы на основе кремния широко используются для обнаружения видимого и ближнего инфракрасного света, их работа ограничена температурами ниже ~200°C, что делает их непригодными для многих промышленных применений.

С другой стороны, использование УФ-фотодетекторов из нитрида галлия (GaN) может помочь в быстром, непрерывном и одновременном измерении уровня воды. Кроме того, GaN может избирательно поглощать УФ-излучение, что позволяет более точно определять уровень жидкости. По сравнению с обычными подходами с использованием видимого света, УФ-фотодетекторы на основе GaN обнаруживают падающие УФ-фотоны, преломленные на границе раздела вода-воздух, обеспечивая более устойчивые и точные измерения.

Ⅰ. Методика моделирования и используемые параметры

Основная цель эксперимента заключалась в разработке датчика уровня жидкости с использованием УФ-фотодетектора GaN, инкапсулированного тонким слоем полимера (ПДМС) для защиты от электрического короткого замыкания из-за воды. Чтобы протестировать прототип в реальных условиях, эксперимент состоял в том, чтобы УФ-фотодетектор GaN был помещен ниже уровня воды в цилиндре, а центр цилиндра освещался УФ-светом с длиной волны 365 нм. Схема датчика уровня жидкости показана на рисунке 1. По мере увеличения уровня воды все больше УФ-лучей преломляется и концентрируется на чувствительной поверхности, увеличивая фототок, возбуждаемый УФ-фотонами в пленке GaN.

Рис. 1. Общий уровень измерения уровня воды в контейнере.

На рис. 2 представлены результаты численного моделирования, полученные с помощью пакета COMSOL Multiphysicals, с указанием принципа работы датчика уровня жидкости. Показатель преломления тонкого слоя ПДМС для длины волны 365 нм был установлен равным 1,45 при комнатной температуре. Изменение оптической интенсивности позволило быстро измерить уровень жидкости, даже несмотря на то, что расстояние между источником УФ-излучения и датчиком было фиксированным.

Рис. 2a: Эффекты моделирования показателей преломления воздуха, воды и ПДМС.

Рис. 2б: Как размер цилиндра влияет на концентрацию УФ-излучения на поверхности GaN.

Поскольку показатель преломления в основном зависит от температуры, устройство необходимо проектировать с учетом показателя преломления каждой среды при разных температурах. Для расчета ширины круглой освещающей области (D) в нижней части цилиндра была выведена и использована следующая формула:

Уравнение 1

Из приведенного выше уравнения H, h и l представляют собой расстояние от дна до источника УФ-излучения, высоту воды и толщину ПДМС соответственно. Согласно рисунку 2b, D максимизируется, когда цилиндр пуст, что отражает влияние размера цилиндра на чувствительность.

Ⅱ. Оценка полученных результатов

Датчик уровня жидкости состоит из пленки GaN толщиной около 500 нм на подложке Si(111) с удельным сопротивлением<5 Ом∙см. Пленка GaN была электрически изолирована от подложки Si с помощью буферных слоев, а Al-проволоки были прикреплены к поверхности GaN для создания нескольких металлических электродов. Датчик работал на основе принципа преломления ультрафиолетового света в воде, причем положение преломления меняется с высотой воды.

Под воздействием УФ-излучения с длиной волны 365 нм возбужденные электроны генерируют омический фототок, увеличивая общий уровень тока датчика. Зарегистрированная реакция переходного тока была быстрой, а датчик демонстрирует высокое соотношение сигнал/шум при различной высоте воды и углах УФ-излучения. Однако PDCR и SNRdB могут уменьшаться в присутствии примесей в воде, снижая чувствительность датчика. Спектры поглощения и отражения датчика GaN показывают резкий предел длины волны около 370 нм, что указывает на то, что датчик уровня жидкости поглощает только УФ-волны с высоким коэффициентом подавления УФ-видимой области.

Рис. 3. Фототок в воде, диаметр цилиндра составлял 6 см, напряжение 1 В под углом 120°.

На рисунке 3 показана реакция фототока датчика уровня жидкости в зависимости от высоты воды при использовании источника УФ-излучения с углом излучения 120°. Результаты показывают, что по мере увеличения уровня воды больше ультрафиолетового света направлялось в сторону чувствительной области, что приводило к пропорциональному увеличению фототока. Однако полученное время отклика было меньше, а PDCR — ниже по сравнению со случаями, когда использовался угол излучения 45°. Устойчивая область, наблюдаемая на высоте от 3 до 6 см, была объяснена интерференцией света, сфокусированного на чувствительной области, и света, отраженного от внутренней стенки цилиндра. Также фототок не увеличивался линейно по отношению к уровню воды и наблюдалась мертвая зона при уменьшении диаметра цилиндра до 4 см.

С другой стороны, когда использовался угол излучения 45°, отклик фототока демонстрировал линейное увеличение при повышении уровня воды выше 6 см. Датчик, использующий источник УФ-излучения под углом 120°, продемонстрировал максимальное увеличение фототока примерно на 34,4%, тогда как для датчика, использующего источник УФ-излучения под углом 45°, оно составило примерно 25,2%. Эта разница была связана с более высокой концентрацией УФ-излучения в области чувствительности по мере увеличения угла излучения.

Ⅲ. Заключение

Целью эксперимента была разработка датчиков уровня жидкости с использованием УФ-фотодетектора GaN. Использование УФ-света и соответствующего фотодетектора повысило чувствительность датчика, что позволило надежно и непрерывно контролировать уровни жидкости в различных средах, включая высокотемпературные электростанции, ядерные реакторы, геотермальные станции и химически агрессивные резервуары.

Изготовление и определение характеристик датчиков включало изменение нескольких параметров, таких как диаметр цилиндра, угол излучения источника УФ-излучения и т. д. Результаты экспериментов подтвердили возможность использования широкозонных полупроводников в качестве платформы для датчиков уровня жидкости, продемонстрировав их потенциал для непрерывного и надежный мониторинг в суровых условиях.