(57)【要約】基板と該基板上に形成された薄膜層とを具えるＵＶ検出素子を有するＵＶ光検出器を開示する。薄膜層はＵＶ光を受光し、光起電力出力に変換するためのものである。第１及び第２電極が薄膜層の一表面上に形成され、第１及び第２電極間にて薄膜層内に誘電分極を形成し、光起電力出力を収集するように構成される。さらに増幅器及び出力表示装置も具える。ＵＶ検出素子は光起電力出力を収集するように構成され、増幅器はＵＶ検出素子からの光起電力出力を受信するように構成され、出力表示装置は、ＵＶ光が一表面で受光されるとき、光起電力出力から得られる表示を提供するように構成される。
2010526450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成された、紫外光を受光し光起電力出力に変換する薄膜層と、前記薄膜層の一表面上に形成され前記光起電力出力を収集するように構成された第１及び第２電極とを具え、前記薄膜層は前記第１及び第２電極間に誘電分極を有する紫外検出素子と、
増幅器と、
出力表示装置と、
を具え、
前記紫外検出素子は前記光起電力出力を発生し収集するように構成され、前記増幅器は前記紫外検出素子から前記光起電力出力を受信し増幅するように構成され、前記出力表示装置は、紫外光が前記一表面で受光されるとき、前記光起電力出力から得られる表示を提供するように構成されている、紫外光検出器。
【請求項２】
前記第１電極及び第２電極は１対のインターディジタル電極を構成する、請求項１記載の紫外光検出器。
【請求項３】
前記薄膜層は強誘電体薄膜である、請求項１又は２記載の紫外光検出器。
【請求項４】
前記誘電分極は前記第１及び第２電極の間で前記薄膜層の表面に平行である、請求項１〜３のいずれかに記載の紫外光検出器。
【請求項５】
前記強誘電体薄膜は電界を前記第１及び第２電極により印加して前記薄膜をポーリングすることにより生成される、請求項３記載の紫外光検出器。
【請求項６】
前記出力表示装置はＬＥＤ及びＬＣＤからなる群から選ばれる、請求項１〜５のいずれかに記載の紫外光検出器。
【請求項７】
前記紫外検出素子と並列に接続された第１の抵抗をさらに具える、請求項１〜７のいずれかに記載の紫外光検出器。
【請求項８】
前記出力表示装置と直列に接続され、前記出力表示装置を駆動するために電圧振幅を制御するように構成された第２の抵抗をさらに具える、請求項７記載の紫外光検出器。
【請求項９】
前記出力表示装置は、光電流量及び光電圧振幅からなる群から選ばれる少なくとも一つで制御される請求項１〜８のいずれかに記載の紫外光検出器。
【請求項１０】
前記増幅器は前記光電流を出力電圧に変換するように構成されている、請求項９記載の紫外光検出器。
【請求項１１】
前記増幅器は前記光電圧を出力電圧に変換するように構成されている、請求項９記載の紫外光検出器。
【請求項１２】
前記増幅器は前記出力電圧に抵抗利得を与えない電圧測定装置である、請求項１０又は１１記載の紫外光検出器。
【請求項１３】
前記紫外光検出器は、前記一表面で受光された紫外光の積算線量を示す紫外線量計である、請求項９〜１２のいずれかに記載の紫外光検出器。
【請求項１４】
光電流を蓄積するように構成されたキャパシタをさらに具え、前記増幅器の出力電圧は前記薄膜上の紫外光照射中における前記キャパシタの蓄積電圧である、請求項１３記載の紫外光検出器。
【請求項１５】
前記増幅器は電流積分器である、請求項１４記載の紫外光検出器。
【請求項１６】
前記キャパシタの充電応答速度を調整するために前記キャパシタと並列に複数の抵抗が接続されている、請求項１４又は１５記載の紫外光検出器。
【請求項１７】
他の抵抗及びスイッチをさらに具える、請求項１６記載の紫外光検出器。
【請求項１８】
前記増幅器の出力に計算を実行して計算された出力を生成するように構成されたマイクロコントローラをさらに具える、請求項１記載の紫外光検出器。
【請求項１９】
前記出力表示装置は前記計算された出力を表示するように構成されている、請求項１８記載の紫外光検出器。
【請求項２０】
前記増幅器は２段アナログ回路を具え、前記増幅器からの増幅された電圧が前記マイクロコントローラに入力される、請求項１８又は１９記載の紫外光検出器。
【請求項２１】
前記２段アナログ回路の第１段は、前記紫外検出素子からの電流が演算増幅器の正入力端子とアースとの間に接続された抵抗に供給され、該演算増幅器の出力が前記演算増幅器の負入力端子に直接供給される電流−電圧変換器を具える、請求項２０記載の紫外光検出器。
【請求項２２】
前記２段アナログ回路の第１段は抵抗帰還ループにＴ形回路網構成を有する電流−電圧変換器を具える、請求項２０記載の紫外光検出器。
【請求項２３】
前記２段アナログ回路の第１段は、第１演算増幅器の出力が第１の抵抗を経て第１演算増幅器の負入力端子に供給されるとともに第２演算増幅器の負入力端子に供給される負構成の電流−電圧変換器を具え、前記第２演算増幅器の出力が第２の抵抗を経て前記第２演算増幅器の負入力端子に供給される、請求項２０に記載の紫外光検出器。
【請求項２４】
前記マイクロコントローラは、周囲妨害により生じるＤＣオフセットレベルを相殺するアルゴリズムを実行するように構成され、前記アルゴリズムは暴露されない紫外検出素子の出力をベースライン基準として用いる、請求項１８〜２３のいずれかに記載の紫外光検出器。
【請求項２５】
前記マイクロコントローラは、周囲妨害により生じるＤＣオフセットレベルを相殺するアルゴリズムを実行するように構成され、前記アルゴリズムは前記増幅器の出力から所定値を減算する、請求項１８〜２３のいずれかに記載の紫外光検出器。
【請求項２６】
前記マイクロコントローラは、前記計算された出力を不揮発性メモリ装置に周期的に保存するように構成されている、請求項１８〜２５のいずれかに記載の紫外光検出器。
【請求項２７】
基板と、前記基板上に形成された、紫外光を受光し光起電力出力に変換する薄膜層と、前記薄膜層の一表面上に形成され前記光起電力出力を収集するように構成された第１及び第２電極とを具え、前記薄膜層は前記第１及び第２電極間に誘電分極を有する紫外検出素子と、
増幅器と、
前記光起電力出力を蓄積するキャパシタと、
出力表示装置と、
を具え、
前記出力表示装置は、前記キャパシタに蓄積された積算光起電力出力を表わす表示を提供するように構成されている、紫外光線量計。
【請求項２８】
前記第１電極及び第２電極は１対のインターディジタル電極を構成する、請求項２７記載の紫外光線量計。
【請求項２９】
前記誘電分極は前記第１及び第２電極間で前記薄膜層の表面に平行である、請求項２７又は２８記載の紫外光線量計。
【請求項３０】
前記薄膜層は強誘電体薄膜である、請求項２７〜２９のいずれかに記載の紫外光線量計。
【請求項３１】
前記出力表示装置はＬＣＤである、請求項２７〜３０のいずれかに記載の紫外光線量計。
【請求項３２】
前記出力表示装置は、光電流量及び光電圧振幅からなる群から選ばれる少なくとも一つで制御される、請求項２７〜３１のいずれかに記載の紫外光線量計。
【請求項３３】
前記増幅器は前記光電流を出力電圧に変換するように構成されている、請求項３２記載の紫外光線量計。
【請求項３４】
前記増幅器は前記光電圧を出力電圧に変換するように構成されている、請求項３３記載の紫外光線量計。
【請求項３５】
前記増幅器の出力電圧が前記薄膜上の紫外光照射中における前記キャパシタの蓄積電圧である、請求項３４記載の紫外光線量計。
【請求項３６】
前記増幅器は電流積分器である、請求項３５記載の紫外光線量計。
【請求項３７】
前記キャパシタの充電応答速度を調整するために前記キャパシタと並列に複数の抵抗が接続されている、請求項２７〜３６のいずれかに記載の紫外光線量計。
【請求項３８】
他の抵抗及びスイッチをさらに具える、請求項３７記載の紫外光線量計。
【請求項３９】
前記増幅器の出力に計算を実行して計算された出力を生成するように構成されたマイクロコントローラをさらに具える、請求項２７〜３８のいずれかに記載の紫外光線量計。
【請求項４０】
前記紫外検出素子は使い捨て用に取り外し可能に構成されている、請求項１〜２６のいずれかに記載の紫外光検出器。
【請求項４１】
前記紫外検出素子は使い捨て用に取り外し可能に構成されている、請求項２７〜３９のいずれかに記載の紫外光線量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外（ＵＶ）検出器及び線量計、特に検出素子として光起電性薄膜を用いる紫外線検出器及び線量計に関するものであるが、これに限定されない。
【０００２】
関連出願の参照
２００６年３月２１日に出願され、２０００６年９月２８日にＵＳ２００６／０２１３５４９号として公開された、発明の名称「Thin Film Photovoltaic Device」の本出願人に係る先米国特許出願１１／３８６，２９５号（その内容が参照により本明細書に組み込まれる）を参照されたい。
【背景技術】
【０００３】
太陽放射中の紫外（ＵＶ）光は人間の健康に大きな影響を及ぼす。ＵＶ放射は波長に応じてＵＶ−Ａ（３２０−４００ｎｍ）、ＵＶ−Ｂ（２９０−３２０ｎｍ）及びＵＶ−Ｃ（２００−２９０ｎｍ）に細分される。通常、ＵＶ−Ａ及びＵＶ−Ｂのみが大気中に侵入し、地表に到達する。ＵＶ−Ａは日焼けに関与し、皮膚癌の一因となる。更に目の白内障、日光網膜炎及び隔膜ジストロフィの原因でもある。ＵＶ−Ｂは人間の皮膚癌の原因とみなせる。更に、ＵＶ−Ａ及びＵＶ−Ｂ放射の相互作用は相乗発癌効果を有する。この組み合わせは皮膚の老化及びしわの原因である。
【０００４】
世界保健機関により提供された情報によれば、世界中で毎年約２〜３００万人の非メラノーマ性皮膚癌及び約１３０，０００人の悪性メラノーマが発生している。これは白色人種の死亡率にかなり寄与している。世界中で毎年約１２００〜１５００万の人々が白内障で盲目になり、そのうちの２０％が太陽暴露が原因である。
【０００５】
人為的影響による成層圏オゾン層の減少とともに、人間の健康へのＵＶ影響の問題がさらに厳しくなるかもしれない。それにもかかわらず、少量のＵＶは有益であり、ビタミンＤの生成には不可欠である。加えて、肌質及び健康状態は個人差があるため、一人の人間に顕著なダメージを生じ得るＵＶ暴露レベルは別の人間には良性で、有益であることもありえる。それゆえ、個人ごとにＵＶ暴露を監視し管理する必要がある。この点を考慮すると、特に皮膚や目がＵＶ光で損傷されやすい人に対しては個人用携帯ＵＶ検出器が有利である。
【０００６】
既存のＵＶ検出器において、光子検出器は一般にＵＶ波長において高感度のために使用されている。ＵＶ光子検出器は伝統的に２つの異なるクラス、即ち写真型及び光電子型に分けられる。定量測定能力のために、半導体光電子検出器がパーソナルヘルスケアアプリケーションに対して優位である。ＧａＮ、ＡｌＮ及びＳｉＣなどの大きなバンドギャップを有する半導体がＵＶ検出に検討されている。しかし、これらの材料又はそれらの組み合わせからなる検出器は真空室内における費用のかかる堆積方法により通常得られている。例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）又は分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）のような方法を使用することができる。Ｓｉのような比較的小さなバンドギャップを有する半導体はＵＶより長い波長にもセンシティブであるので、ＵＶ光のみを通す低域通過フィルタが必要とされ、コストがかかるとともにデバイス構造をより複雑にする。加えて、このようなフィルタは通常人間の健康に危険であるＵＶ光波長に対して低い透明度を有する。
【０００７】
ｐ−ｎ接合又はショットキ障壁に基づく半導体光起電力効果は典型的には１ボルトより低い光電圧を発生し得るのみである。強誘電体薄膜における光起電力効果を用いるＵＶセンサは強誘電体薄膜の小さな厚さ及び電圧に対する制約のために大きな電圧を発生できない。小さな電圧は光起電力素子の回路駆動能力を制限する。
【０００８】
ＵＶセンサにおいては、ＵＶ光は少なくとも一つの金属層又は半導体層を貫通しなければならない。例えば、ＵＶ光は上部電極層を貫通して上部及び下部電極ではさまれた強誘電体層に、又はショットキ障壁内の金属層に、又はｐ−ｎ接合の半導体層の一つに侵入する必要がある。金属電極（いわゆる透明電極を含む）は人間の健康に危険である波長のＵＶ光に対して満足な透明度を持たないので、上部電極層の貫通によるＵＶエネルギー損は大きい。透明度のＵＶ波長に対する依存性及び光起電力領域の上部の任意の層に対する入射角は受信されるスペクトルも変化せしめる。受光角も狭い。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の模範的な態様によれば、基板と該基板上に形成された薄膜層とを具えるＵＶ検出素子を具えたＵＶ光検出器が提供される。薄膜層はＵＶ光を受光し、光起電力出力に変換するためのものである。第１及び第２電極が薄膜層の一表面上に形成される。これらの電極は、第１及び第２電極の間で薄膜層に誘電分極を形成し、光起電力出力を収集するように構成される。さらに増幅器及び出力表示装置も具える。ＵＶ検出素子は光起電力出力を収集するように構成され、増幅器はＵＶ検出素子からの光起電力出力を受信するように構成され、出力表示装置は、ＵＶ光が一表面で受光されるとき、光起電力出力から得られる表示を提供するように構成される。
【００１０】
本発明の他の模範的な態様によれば、基板と該基板上に形成された薄膜層とを具えるＵＶ検出素子を具えたＵＶ光線量計が提供される。薄膜層はＵＶ光を受光し、光起電力出力に変換するためのものである。第１及び第２電極が薄膜層の一方の表面上に形成される。これらの電極は、第１及び第２電極間で薄膜層に誘電分極を形成し、光起電力出力を収集するように構成される。増幅器、光起電力出力を蓄積するキャパシタ、メモリ及び出力表示装置も具える。出力表示装置は、キャパシタに蓄積された光起電力出力及びメモリ内の情報を表す表示を提供するように構成される。
【００１１】
両態様とも、第１電極及び第２電極は１対のインターディジタル電極を構成する。薄膜層は強誘電体薄膜とすることができる。出力表示装置はＬＥＤ及びＬＣＤの一つとすることができる。
【００１２】
ＵＶ検出器は、ＵＶ検出素子と並列に接続された第１の抵抗をさらに具えることができる。ＵＶ検出器は、出力表示装置と直列に接続され、出力表示装置を駆動するために電圧振幅を制御するように構成された第２の抵抗をさらに具えることができる。
【００１３】
出力表示装置は光電流量及び光電圧振幅の少なくとも一つで制御されるものとし得る。増幅器は光電流を出力電圧に変換するように構成することができる。増幅器は光電圧を出力電圧に変換するように構成することもできる。増幅器は出力電圧に抵抗利得を与えない電圧測定装置とすることもできる。
【００１４】
ＵＶ光検出器は、一表面で受光されたＵＶ光の積算線量を示すＵＶ線量計とすることができる。ＵＶ光検出器は光電流を蓄積するように構成されたキャパシタをさらに具えることができる。増幅器の出力電圧は薄膜上のＵＶ光照射中におけるキャパシタの積算電圧とすることができる。増幅器は電流積分器とすることができる。キャパシタの充電応答速度を調整するためにキャパシタと並列に複数の抵抗を接続することができる。ＵＶ光検出器は他の抵抗及びスイッチをさらに具えることができる。
【００１５】
ＵＶセンサからの電圧又は電流出力は実際のＵＶ放射の計算のためにマイクロコントローラに入力し、その結果を表装置に表示することができる。マイクロコントローラはＵＶセンサからのアナログ出力電圧をディジタル化するために使用される。計算されるパラメータは、リアルタイムの入力の移動平均、一定期間に亘る入力の積算和及び周囲妨害により生じ得る入力電圧のＤＣオフセットを除去する調整を含む。さらに、マイクロコントローラは後の参照のために内部又は外部メモリにＵＶ暴露に関する収集データを格納することができる。
【００１６】
実際のＵＶ暴露レベルの高精度の測定値を得るために、マイクロコントローラは同一であるが暴露されないＵＶ検出素子からの出力を計算においてベースライン基準として用いることによって温度及び他の周囲妨害の影響を保証することもできる。
【００１７】
ＵＶ検出素子を使い捨てにすべきである場合には、使用時に検出素子を取替え可能にすることによってＵＶ検出器はユーザに柔軟性を提供することができる。
【００１８】
本発明を十分に理解し、容易に実施することができるようにするために、図面を参照して模範的な実施例を非限定的例として以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１ａ】本出願人の先出願に係る、ＵＶ検出素子用の光起電力デバイスを示す図である。
【図１ｂ】本出願人の先出願に係る、ＵＶ検出素子用の別の光起電力デバイスを示す図である。
【図２】図１ｂの検出素子に対する光電圧対ＵＶ波長を示すグラフである。
【図３】図１ｂの検出素子に対する光電流対ＵＶ波長を示すグラフである。
【図４】図１ｂの検出素子に関する３６５ｎｍ及び４００ｎｍの光波長における光電流対ＵＶ強度を示すグラフである。
【図５】出力表示装置としてＬＥＤを具えた、図１ａ又は図１ｂの検出素子を用いる模範的な回路設計図である。
【図６】出力表示装置としてＬＣＤを具えた、図１ａ又は図１ｂの検出素子を用いる別の模範的な回路設計図である。
【図７】図１ａ又は図１ｂの検出素子を用いて積算されたＵＶ放射を表示し、ＵＶ線量計として機能する他の模範的な回路設計図である。
【図８】ＵＶセンサ機能とＵＶ線量計機能との間の切り替えを示すブロック図である。
【図９】２段アナログ信号処理回路及びマイクロコントローラと具えるＵＶ検出器の模範的な実施例である。
【図１０】マイクロコントローラ処理前のＵＶセンサ信号の検出及び増幅を行う図９の２段アナログ回路の好適実施例である。
【図１１】負帰還ループにＴ形回路網構成を採用したＩ−Ｖ変換器回路及び負構成の電圧増幅器を具える２段アナログ回路の代替実施例である。
【図１２】単一の帰還抵抗を有するＩ−Ｖ変換器及びネガティブ配置の電圧増幅器を具える２段アナログ回路の代替実施例である。
【図１３】ＵＶ検出器内のマイクロコントローラの模範的な実施例である。
【図１４】暴露されないＵＶ検出素子の測定値をベースライン基準として取るように設計されたＵＶ検出器内のマイクロコントローラシステムの模範的な実施例である。
【図１５】マイクロコントローラの動作を説明するプロセスフローチャートである。
【図１６】マイクロコントローラ処理前に２段アナログ回路により供給される電荷を積算するアナログ積分器回路の模範的な実施例である。
【図１７】取り外し可能なＵＶ検出素子を特徴とするＵＶ検出器の模範的な実施例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
模範的な実施例におけるＵＶ検出器は、検出素子として、本出願人に係る先出願に記載されている薄膜センサを有する。この薄膜は強誘電体薄膜であるのが好ましい。
【００２１】
最初に図１ａ及び図１ｂを参照すると、本出願人の先出願に係る、ＵＶ光検出素子用の２つの光起電力デバイス５０（ａ）及び５０（ｂ）がそれぞれ示されている。各検出素子５０（ａ）及び５０（ｂ）はそれぞれ基板１０ａ及び１０ｂ上に形成された強誘電体材料の薄膜層１４ａ及び１4ｂを有する。図１（ａ）の模範的な例では、第１電極１５ａ1及び第２電極１５a2を具える1対の電極が強誘電体薄膜１４ａ上に形成され、強誘電体薄膜１４ａの上面１４a1上に互いに離して配置される。この実施例では、電極１５a1及び１５a2は1対のインターディジタル電極を形成する。
【００２２】
電極１５a1及び１５a2間の総電流出力は各対の電極指２４ａ間の電流の合計値である。電極１５a1及び１５a2の間で強誘電体薄膜層１４ａを分極するために端子２０ａ及び従って電極１５a1及び１５a2間に電界が印加される。強誘電体１４ａの分極は電極１５a1及び１５a2の間で薄膜層の表面に平行であるのが好ましい。また、薄膜層１４ａはＺｎＯ、ＺｎＳ、ＡｌＮ、ＧａＮなどの極性材料で形成でき、この場合には電界を印加してポーリングすることなく電極１５a1及び１５a2間に誘電分極が存在する。
【００２３】
この実施例によれば、紫外光１７ａのビームが強誘電体薄膜層１４ａの上面１４ａを照射すると、電極１５a1及び１５a2間に光誘起電気信号１８ａ（即ちＶph及びＩph）が発生する。この模範的な実施例により発生される光電圧は、半導体ＵＶ検出素子に起こるようなｐ−ｎ接合のエネルギー障壁高さ及び／又はショットキ障壁により制限されない。この模範的な実施例では、ＵＶ検出素子の強誘電体薄膜層１４ａが直接暴露される。これは上部電極層を貫通しなければならないことによる光損失を防止する。
【００２４】
模範的な実施例によるＵＶ検出素子の光起電力特性を水銀キセノンランプによるＵＶ照明の下で調べた。ＵＶ強度は種々の波長で校正された電力計で測定した。
【００２５】
図１（ｂ）のＵＶ検出素子に対する光電圧及び光電流の光の波長に対する依存性を図２及び図３にそれぞれ示す。光強度は０．３８ｍＷ／ｃｍ２とした。図２は５Ｖより大きい光電圧を示し、この光電圧は一般に１Ｖ以下である半導体光起電力素子の光電圧より大幅に大きい。図３に示す光電流はインターディジタル電極１５b1及び１５b2の電極指２４ｂの単位長当たりの発生電流である。結果は、ＵＶ検出素子は４００ｎｍ以下の波長のＵＶ光に対して光起電力応答を有することを示している。最大光電圧及び光電流は３６５ｎｍの波長で観測され、これはＰＬＷＺＴのエネルギーバンドギャップに対応する。
【００２６】
図４は、３６５ｎｍ及び４００ｎｍの波長における光電流のＵＶ強度依存性を示す。ＵＶ検出素子の光電流はＵＶ強度にほぼ線形に比例する。図４に示す光電流はインターディジタル電極１５b1及び１５b2の電極指２４ｂの単位長当たりの発生電流である。
【００２７】
ＵＶ光放射は、以下に開示するようにＵＶ検出素子からの電気出力に基づいて、ＵＶ検出器で検出し表示することができる。
【００２８】
図５は、ＵＶ検出素子５０と、ＵＶ放射５１７の存在を表示する出力表示装置としてのＬＥＤ５２とを具えるＵＶ検出器を示す。増幅器５４は、出力電圧に抵抗利得を与えない電圧測定装置として機能する。増幅器５４の入力電圧の安定性を高めるために大きな抵抗Ｒ１０がＵＶ検出素子５０と並列に接続される。ＬＥＤ５２と直列の別の抵抗Ｒ１１がＬＥＤ５２の駆動に必要とされる電圧振幅に基づいて選択される。ＵＶ光５１７がＵＶ検出素子５０を照明すると、電圧が発生し、それによりＬＥＤ５２が駆動されてＵＶ光５１７の存在を表示する。
【００２９】
図６は、ＵＶ検出素子６０と、ＵＶ放射６１７の存在を表示する出力表示装置としてのＬＥＤ６６とを具えるＵＶ検出器を示す。増幅器６４は好ましくは低入力電流センス演算増幅器である。この増幅器は、電流が抵抗Ｒ９へ流入できることによって高インピーダンス電位計として作用する。増幅器からの出力電圧Ｖoutは、簡単な関係式Ｖout＝−Ｉph×Ｒ９に従って、ＵＶ検出素子６０の光電流Ｉphを反映する。ＩphはＵＶ光６１７の強さに比例し、ＬＣＤ６６で表示される値はＶoutに比例するので、ＬＣＤ６６上の数値はＵＶ光６１７の強さを表示する。光電流検出器の感度はＲ９の抵抗値により調整することができる。回路特性を安定化させるために抵抗Ｒ９と並列にキャパシタンスＣ６が随意に接続される。
【００３０】
図７は、積算ＵＶ放射を表示でき、従ってＵＶ線量計として機能する他のＵＶ検出器を示す。増幅器７４は好ましくは低入力電流センス演算増幅器である。この増幅器は、光電流ＩphがキャパシタＣ５へ流入できることによって高入力インピーダンスの電流積分器として作用する。増幅器の出力電圧ＶoutはキャパシタＣ５の積算電荷を反映する。この場合には、キャパシタＣ５は電荷を比較的長期間に亘って蓄積するために十分に大きくする必要がある（例えば模範的な実施例では１μＦ）。充電応答速度を調整するために、キャパシタＣ５と並列に抵抗Ｒ５，Ｒ６及びＲ７の組み合わせが接続される。この組み合わせＲ５，Ｒ６及びＲ７の実行抵抗値は高く、約１ＧΩであり、放電時間は長く、何時間にも及ぶので、所望時にＵＶ線量計を放電又はリセットする手段として、スイッチＳ５と一緒に１ｋオームの抵抗Ｒ８が必要に応じ組み込まれる。増幅器の出力電圧ＶoutはＣ５に蓄積された電荷に比例し、Ｃ５の電荷は積算ＵＶ放射に比例するため、ＬＣＤ７６に表示される数値はＵＶ検出素子７０により受光されたＵＶ光７１７の線量を反映する。
【００３１】
図８は、図６及び図７にそれぞれ示されるセンサと線量計との間の切り替えを示す概略ブロック図である。図８に示すように、このＵＶ検出器はＵＶ光８１７の強度及び線量の両方を一つのＵＶ検出素子８０及び一つの出力装置（好ましくはＬＣＤ８６）で検出することができる。ＵＶ検出素子及びＬＣＤは図６に示すものと類似の電流増幅器８７と図７に示すものと類似の電荷増幅器８８との間で切り替えることができる。こうして、ＬＣＤ８６はＵＶ光８１７の強度又は線量を交互に又は同時に表示することができる。
【００３２】
改良されたＵＶ検出器の模範的な実施例を図９に示す。この検出器は２段演算増幅器回路９２に接続されたＵＶ検出素子９０を具える。電流−電圧（Ｉ−Ｖ）変換器９４がＵＶ検出素子９０からのピコ〜ナノアンペアレンジの出力電流を獲得し、この電流出力を電圧出力に変換する。この電圧出力は電圧増幅器９６に送られ、この増幅器により増幅されて増幅された出力を生じする。この増幅された出力はディジタル処理のためにアナログ−ディジタル変換器１００を経てマイクロコントローラ９８に供給される。マイクロコントローラ９８は入力電圧に対して数学的なアルゴリズムを実行して実際のＵＶ強度及び線量を計算することができる。マイクロコントローラ９８は、入力装置１０２を介してユーザにより入力されるコマンドも処理し、計算された結果をディスプレイ装置１０４に表示するように構成される。ＵＶ検出器内の２段演算増幅器回路（アナログ回路）の好適実施例は図１０に示されている。この回路は第１段としてＩ−Ｖ変換器１１０(図５に示す回路に類似)を、第２段として電圧増幅器１１２を具える。Ｉ−Ｖ変換器１１０においては、ＵＶ検出素子１１４が演算増幅器１１６の正入力端子に接続されるとともに、１００メガオームの好適値を有する高い値の抵抗ＲIN１１８と並列に接続される。これはＩ−Ｖ変換のために高いインピーダンス入力でＵＶ検出素子１１４から電流出力を供給する。第１段演算増幅器１１６の出力電圧は、出力電圧の高い安定性を達成するために、その負入力端子に直接接続して負帰還ループを構成する。ＵＶ光に暴露されると、ＵＶ検出素子１１４からの出力電流は抵抗ＲINに流れ、演算増幅器６の正入力１２２におけるＵＶ検出素子１１４からの出力電流と線形に比例する出力電流電圧を生成する。この電圧は演算増幅器１１６の出力端子においてＩph・ＲINとして反映される。Ｉ−Ｖ変換器１１０を実現するために用いる演算増幅器１１６は高い精度及び高い入力インピーダンス特性を有することが好ましい。第２段に対しては、演算増幅器は第１段からの変換された電圧出力を高いレベルに昇圧する正構成を採用する。
【００３３】
図１１は２段アナログ回路の代替実施例を示し、本例ではＩ−Ｖ変換器１３０のための第１段は、ＵＶ検出素子の出力電流に対して高い利得を提供するために、負帰還抵抗ループにＴ形回路網１３４を用いた演算増幅器１３２を具える。図１１の模範的な実施例では、Ｔ形回路網の抵抗１３６の値ＲT1、ＲT2及びＲT3はそれぞれ１ギガオーム、１００ｋオーム及び１００Ｍオームとすることができる。演算増幅器１３２は高い精度及び高いインピーダンス入力特性を有することが好ましい。第２段１４０の演算増幅器１４２は、処理のためにマイクロコントローラに送る前に、負電圧信号を正極性に戻すために負構成を採用する。
【００３４】
図１２は２段アナログ回路の他の代替実施例を示し、本例では第１段１５０の演算増幅器１５２は、その負入力端子でＵＶ検出素子１５４からの電流出力を受信して、Ｉ−Ｖ変換のために負構成を採用する。ＵＶ検出素子１５４からの電流出力は帰還抵抗ＲF１５６を経て流れ、演算増幅器１５２の出力に−Ｉph＊ＲFの電圧を発生する。図１２の模範的な実施例では、帰還抵抗ＲF１５６の値は１００Ｍオームとすることができ、演算増幅器１５２は高い精度及び高いインピーダンス入力特性を有することが好ましい。第２段１６０の演算増幅器１６２は、マイクロコントローラに送る前に電圧信号を正極性に戻すために負構成を採用する。
【００３５】
ＵＶ検出器内のマイクロコントローラ１７０の好適実施例を図１３に示す。２段アナログ回路からの電圧出力はアナログ−ディジタル変換器１７２を経てマイクロコントローラに入力する。アナログ−ディジタル変換器１７２はマイクロコントローラ１７０又は外部集積回路デバイスに組み込まれたモジュールとすることができる。アナログ−ディジタル変換器１７２は入力アナログ電圧をディジタル形式に変換し、これに基づいてマイクロコントローラ１７０はＵＶ暴露を計算する。図１３の模範的な実施例では、マイクロコントローラ１７０は、マイクロコントローラ１７０のＩ／Ｏポート１７６におけるスイッチ１７４を用いてユーザにより入力されるコマンドも受信することができる。マイクロコントローラ１７０は、ＵＶ暴露情報をユーザに提示するために、計算されたデータをＬＣＤのようなディスプレイ装置１７８に送ることもできる。
【００３６】
マイクロコントローラ１８０の代替実施例を図１４に示す。マイクロコントローラ１８０は、ＵＶ光暴露の監視中にマイクロコントローラ入力におけるＤＣオフセットレベルを調整するように構成されている。ＤＣオフセットレベルは、２段アナログ回路、温度変化又は他の周囲雑音から生じ得る。ＤＣオフセットレベルを相殺するために、マイクロコントローラ１８０は暴露されないＵＶ検出素子１８２の測定値をベースライン基準として取る。暴露されないＵＶ検出素子１８２はＵＶ監視のために暴露されるＵＶ検出素子１８４に同一にする必要がある。より正確なＵＶ測定値を得るために、ＵＶ光監視のために暴露されるＵＶ検出素子１８４から得られる測定値はベースライン基準レベルだけ差し引かれる。
【００３７】
図１５はマイクロコントローラの模範的なプロセスフローチャートである。プロセス２００はマイクロコントローラにより実行される一連のイベントを具える。プロセスステップは括弧内の参照番号を参照されたい。最初に、システムの初期化が実行される（２０２）。次に、前セッションからの保存データをクリアするオプション又はＵＶ監視へ進むオプションをユーザに与えるために、メインメニューが表示される（２０４）。ユーザがＵＶ監視の開始を決定する場合（２０６）、タイマがリセットされ、始動される（２０８）。ユーザがＵＶ監視の開始を決定しない場合には、ユーザは保存データのクリアを要求することができ（２１０）、このときデータはＥＥＰＲＯＭからクリアされ（２１２）、プロセスはメインメニューを表示するステップに戻る（２０４）。ステップ（２０８）においてタイマがリセットされ、始動されると、２段アナログ回路の出力から電圧測定値を得るために（アナログ−ディジタル変換器が読み出される２１４）。
【００３８】
電圧測定値は数学的アルゴリズムにより処理される（２１６）。このアルゴリズムは、暴露されないＵＶ検出素子からオフセット基準値を取ることによって又はプリセット値から基準値を取ることによってＤＣオフセットを調整してオフセット調整された入力電圧を生じさせるステップ（２１８）を含む。オプションとして、オフセット調整された入力電圧から移動平均をＵＶ検出素子の出力として計算することができる。次に、オフセット調整された入力電圧又はその移動平均を累積加算することによってＵＶ線量が計算される（２２２）。ＵＶ線量データはＥＥＰＲＯＭに保存される（２２４）。計算されたデータをＵＶベンチマークと相関させることによってＵＶ強度レベルのベンチマーキングが実行される（２２６）。過暴露の場合には信号フラグを立てることができる。表示データはＨｅｘからＢＣＤへ変換され（２２８）、ＵＶ強度及び積算された線量が表示される（２３０）。
【００３９】
過暴露フラグ信号が受信される場合（２３２）、過暴露警報サブルーチンが開始され（２３４）、タイマのリセット及び開始（２０８）に戻る前に１秒間の遅延待ちが行われる（２３６）。過暴露フラグが立たなかった場合にも、１秒間の遅延待ちが行われる（２３８）。ユニットがメインメニューに進むことを要求する場合（２４０）、プロセスはメインメニューの表示（２０４）に戻る。この要求がされない場合には、プロセスはタイマのリセット及び開始（２０８）に戻る。こうして、プロセスは、Ｉ／Ｏポートにおけるユーザ入力による入力を周期的にチェックし、ユーザ要求時にＥＥＰＲＯＭからのデータ消去（２１２）のような特定のイベントを駆動することによって、ユーザインタラクションをコーディネートする。
【００４０】
図１６は、マイクロコントローラ処理前にＵＶ暴露の線量に比例する出力電圧を供給するためにＵＶ検出器に付加して２段アナログ回路により供給される電荷を時間フレームに亘って蓄積することができるアナログ積分器回路２５０の模範的な実施例を示す。積分器回路２５０において、抵抗Ｒc２５２及びキャパシタＣ２５４は、２段アナログ回路からの出力電圧を徐々に積算することができる充電回路を構成する。模範的な実施例では、Ｒc及びＣの値は、積分器回路２５０が飽和点に達する前に長い充電時間を与えるようにそれぞれ１０ｋオーム及び１０μＦの大きさとすることができる。抵抗Ｒ8２５６及びＭＯＳＦＥＴスイッチＮ1 ２５８は充電キャパシタＣ２５４のための放電路として作用する。積分器回路２５０の出力電圧をインターバルごとに読み出す際に、マイクロコントローラ２５９はＩ／Ｏピン２６０からＭＯＳＦＥＴスイッチＮ1 ２５８をスイッチオンして、積分器回路２５０の出力の蓄積電圧をゼロにリセットすることができる。積分器回路２５０が積算されたＵＶ暴露線量を確立する間、マイクロコントローラ２５９は長いインターバルでＵＶ監視のための入力を検出することができるので、積分器回路２５０はマイクロコントローラ２５９の所要のＣＰＵ時間を低減する。
【００４１】
上述した実施例によれば、ＵＶ検出器は信頼でき、ユーザフレンドリーであり、コンパクトでコストエフェクティブである。これらは電池又は太陽電池で駆動される携帯ＵＶ検出器に小型化することができる。これらのＵＶ検出器はユーザが身につけることができるようにペンダントサイズにさらに小型化することができる。図１７に示すように、ＵＶ検出器２７０は、ＵＶ検出素子２７４を保持し、それをＵＶ検出器２７０と電気的に接続するためのアダプタ２７２を持つことによって、ＵＶ検出素子２７４を取り替えるフレキシビリティをユーザに提供することができる。このようにすると、ＵＶ検出素子２７４は使い捨てとして使用できる。あるいはまた、ＵＶ検出器は携帯電話又は腕時計のような家庭電化製品に組み込むこともできる。
【００４２】
強誘電体材料一般に広いエネルギーバンドギャップを有し、一般にＵＶレンジより上の長い波長の光に対して光起電力応答を示さない。従って、原理的には、ＵＶ透明性を有する高価なローパスフィルタは不要である。
【００４３】
以上模範的な実施例について説明したが、それらの設計、構造及び／又は動作の細部において多くの変更が本発明の範囲内において可能であることは当業者に理解されよう。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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