Yuyu Kimura, IR System Co., Ltd., Tokyo, Japan
This article was first published in the Japanese Journal of Industrial Heating 2025, vol. 62, no. 3, Edition May
Zusammenfassung
Using semiconductor based sensors for flame detection, such as presented with this article can be regarded as a fascinating approach not just with regards on costs and safety. Additionally, looking at environmental and sustainability aspects using semiconductor sensors instead of discharge tubes is a useful tool towards durability and longevity. The possibility of working with two different sensor chips for two different kind of irradiadion (UV and IR) in one small size sensor housing opens up a multitude of new and interesting application possibilities.
TOCONs für die Brennerflammen- und Feuererkennung
Sensor Magazin 2/2024 (c) Magazin Verlag
Zusammenfassung
Das Berliner Unternehmen sglux GmbH produziert seit mehr als 20 Jahren Photodioden und Sensoren zur Messung von UV-Strahlung, wie sie in vielen Bereichen der industriellen Fertigung, der Medizintechnik, der Feuerungstechnik und zur Entkeimungsüberwachung zum Einsatz kommen. Die präzise Erfassung der ultravioletten Bestrahlungsstärke ist für eine kontrollierte und effiziente Funktionsweise von hoher Bedeutung. sglux löst diese Aufgaben mit SiC-basierten Photodioden, seit 2009 aus eigener Halbleiterproduktion. Bei der Detektion von UV-Strahlung sind SiC-Photodioden aufgrund ihrer hohen Bandlücke von 3.26 eV im Vorteil, da sie gegenüber sichtbarer und nah-infraroter Strahlung blind sind. Zudem weisen SiC-Photodioden sehr niedrige Dunkelströme auf, sodass auch kleinste Strahlungsmengen nachgewiesen werden können. Im Bereich der Messung starker UV-Strahlung punktet SiC mit seiner hohen Degradationsfestigkeit.
¹Fraunhofer IISB, Erlangen, Germany
²sglux GmbH, Berlin, Germany
³Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, Germany
2023 IEEE Photonics Conference (IPC) 12. – 16.11.2023
4H-SiC PIN Photodiode for VUV Detection Using an Enhanced Emitter Doping Desig
Zusammenfassung
The fabrication of a novel Vacuum UV (VUV) sensitive 4H-SiC pin photodiode is presented. Aluminum ion implantation was used to fabricate a patterned emitter structure with p – and p + regions resulting in the highest reported VUV sensitivity for a SiC pin photodiode.
¹Fraunhofer IISB, Erlangen, Germany
²sglux GmbH, Berlin, Germany
Towards SiC-Based VUV Pin-Photodiodes – Investigations on 4H-SiC Photodiodes with Shallow Implanted Al Emitters
Zusammenfassung
4H silicon carbide (SiC) based pin photodiodes with a sensitivity in the vacuum ultraviolet spectrum (VUV) demand newly developed emitter doping profiles. This work features the first ever reported 4H-SiC pin photodiodes with an implanted p-emitter and a noticeable sensitivity at a wavelength of 200 nm. As a first step, Aluminum doping profiles produced by low energy ion implantation in 4H-SiC were characterized by secondary-ion mass spectrometry (SIMS). Photodiodes using these shallow emitters are compared to one with a deep p-emitter doping profile employing IV characteristics and the spectral response. SIMS results demonstrate the possibility of shallow Alimplantation profiles using low implantation energies with all emitter profiles featuring characteristic I-V results. For some shallow doping profiles, a meassurable signal at the upper limit of the VUV spectrum could be demonstrated, paving the way towards 4H-SiC pin photodiodes with sensitivities for wavelengths below 200 nm.
How to determine the right UV sensor for flame detection?
Zusammenfassung The present article informs about different approaches using UV photodetectors for the detection of a combustion flame (natural gas, hydrogen or oil).
Space Sci Rev (2021) 217:58
Perseverance’s Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC) Investigation
Zusammenfassung
The Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC) is a robotic arm-mounted instrument on NASA’s Perseverance rover. SHERLOC has two primary boresights. The Spectroscopy boresight generates spatially resolved chemical maps using fluorescence and Raman spectroscopy coupled to microscopic images (10.1 μm/pixel). The second boresight is a Wide Angle Topographic Sensor for Operations and eNgineering (WATSON); a copy of the Mars Science Labora- tory (MSL) Mars Hand Lens Imager (MAHLI) that obtains color images from microscopic scales (∼13 μm/pixel) to infinity. SHERLOC Spectroscopy focuses a 40 μs pulsed deep UV neon-copper laser (248.6 nm), to a ∼100 μm spot on a target at a working distance of ∼48 mm. Fluorescence emissions from organics, and Raman scattered photons from organics and minerals, are spectrally resolved with a single diffractive grating spectrograph with a spectral range of 250 to ∼370 nm. Because the fluorescence and Raman regions are natu- rally separated with deep UV excitation (<250 nm), the Raman region ∼ 800 – 4000 cm−1 (250 to 273 nm) and the fluorescence region (274 to ∼370 nm) are acquired simultaneously without time gating or additional mechanisms. SHERLOC science begins by using an Aut- ofocus Context Imager (ACI) to obtain target focus and acquire 10.1 μm/pixel greyscale images. Chemical maps of organic and mineral signatures are acquired by the orchestration of an internal scanning mirror that moves the focused laser spot across discrete points on the target surface where spectra are captured on the spectrometer detector. ACI images and chemical maps (< 100 μm/mapping pixel) will enable the first Mars in situ view of the spa- tial distribution and interaction between organics, minerals, and chemicals important to the assessment of potential biogenicity (containing CHNOPS). Single robotic arm placement chemical maps can cover areas up to 7×7 mm in area and, with the < 10 min acquisition time per map, larger mosaics are possible with arm movements. This microscopic view of the organic geochemistry of a target at the Perseverance field site, when combined with the other instruments, such as Mastcam-Z, PIXL, and SuperCam, will enable unprecedented analysis of geological materials for both scientific research and determination of which sam- ples to collect and cache for Mars sample return.
Master Thesis
Zusammenfassung
As a contribution to the decarbonisation of domestic heating, the graduation project investigates the feasibility of the application of UV sensor technology for flame detection and flame monitoring in hydrogen-powered domestic gas boilers. The research includes empirical studies and an analytical approach to describe influences on the sensor signal strength.
TOCONs für die Brennerflammen- und Feuererkennung
Zusammenfassung
Unsere Standard-TOCONs haben eine relativ hohe Zeitkontante. Diese erstreckt sich von 30 ms für TOCONs mit geringer Empfindlichkeit bis zu 80 ms bei TOCONs mit hoher Empfindlichkeit. Diese Reaktionszeit ist für die meisten Messanwendungen eine gute Voraussetzung zur präzisen Erfassung des Mess-Signals. Normalerweise geht es darum, langsam veränderliche Signale zuverlässig zu messen. Die o.g. Zeitkonstanten bewirken, dass kurzfristige Signaländerungen oder hochfrequente Signal-Anteile gemittelt in das Mess-Signal eingehen. So kann die von der zu messenden Quelle ausgehende Strahlung im Hinblick auf ihre Wirkung (z.B. Entkeimung oder Lackhärtung) gut ermittelt werden. Bei der Flammenüberwachung in Heizbrennern und bei der Feuererkennung ist die für die Standard-Anwendungen vorteilhafte hohe Zeitkonstante von Nachteil. Dieser Bericht zeigt Möglichkeiten der Reduktion der Reaktionszeiten.
UV sensors for hydrogen flame detection
Zusammenfassung
Bei der Arbeit am gesellschaftlichen Ziel der Dekarbonisierung des Energieverbrauchs u.a. auch durch die Substitution von Erdgas durch regenerativ erzeugte Brennstoffe, ist Wasserstoff ein besonders aussichtsreicher Kandidat. Bei der erforderlichen Umrüstung von Erdgas-Thermen stellt die durch die Norm EN298 definierte Überwachung der Brennerflamme eine besondere Herausforderung dar. Stand der Technik ist die Flammenüberwachung mittels Ionisationsfühlern. Dieses Verfahren ist preiswert und zuverlässig. Wird dem Erdgas allerdings Wasserstoff beigemischt oder besteht das Gas ausschließlich aus Wasserstoff, ergibt sich eine andere Reaktionskinetik, welche die Zuverlässigkeit der bisherigen Fühler deutlich reduziert bzw. ihren Einsatz unmöglich macht.
Dieser Herausforderung kann mit UV-Sensoren begegnet werden, die alle Arten von Flammen anhand ihres charakteristischen Emissionsspektrums im UV-Bereich zuverlässig erkennen können. UV-Sensoren sind in der Anschaffung teurer als Ionisationsfühler und werden daher aktuell nur in hochpreisigen Industriebrennern, nicht aber in Haushaltsbrennern eingesetzt. Nach aktuellem Wissensstand gibt es aber bei der Erkennung einer Wasserstoff-Flamme keine Alternative zum UV-Sensor.
Unsere UV-Sensoren TOCON_ABC1 und TOCON_ABC2 produzieren wir seit 2006 für den Einsatz in EN298-konformen Erdgas-Feuerungsautomaten. Für die Wasserstoff-Flamme haben wir diese Produkte nun zum neuen TOCON_F weiterentwickelt. Der Unterschied zu TOCONs ABC1 und ABC2 besteht in einer verringerten Off-Totzeit im Fall einer Übersteuerung des Sensors, welche von mehreren 100 Millisekunden auf unter 70 Millisekunden reduziert werden konnte – und zwar unabhängig davon, wie weit der Sensor zum Zeitpunkt des Erlöschens der Flamme ausgesteuert war. Entsprechend konnte die Reaktionsgeschwindigkeit auf das Ausfallen einer Flamme deutlich erhöht werden. Auch wenn TOCONs TOCON_ABC1 und TOCON_ABC2 als Basis EN298-konformer Flammenwächter verwendet werden können (dort wird gefordert, dass der Ausfall einer Flamme spätestens nach 1000 ms eine Unterbrechung der Brennstoffzufuhr bewirken muss), könnte die Normanforderung in Zukunft verschärft werden. Grund hierfür könnte die bei Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas um Faktor 8 höhere Flammengeschwindigkeit und der deutlich größere Zündbereich sein. Mit dem TOCON_F können also kürzere Abschaltzeiten als gegenwärtig gefordert realisiert werden. Dadurch ist der Einsatz dieser Bauteile auch bei eventueller Verschärfung der Norm zukunftssicher.
SiC AlGaN Aging Report
Zusammenfassung
SiC and AlGaN based UV photodiodes had been irradiated by Hg medium pressure lamps for 90 hours and a UV irradiation intensity of 60mW/cm². The SiC photodiodes showed no measurable degradation whereas the AlGaN photodiodes lost 80 % – 85 % of sensitivity.
¹Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut fuer Hoechstfrequenztechnik, Berlin, Germany, ²Leibniz-Institut fuer Kristallzuechtung, Berlin, Germany, ³Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin (PTB), 4.1 Photometry and Applied Radiometry, Braunschweig, Germany, ⁴sglux GmbH, Berlin, Germany
J. Mater. Res., first view (2012).
Abstract
Highly efficient polytype 4H silicon carbide (4H-SiC) p–n diodes for ultraviolet (UV) light detection have been fabricated, characterized, and exposed to high-intensity mercury lamp irradiation (up to 17 mW/cm²). The behavior of the photocurrent response under UV light irradiation using a low-pressure mercury UV-C lamp (4 mW/cm²) and a medium-pressure mercury discharge lamp (17 mW/cm²) has been studied. We report on long-term UV photoaging tests performed for up to 22 mo. Results demonstrate the robustness of SiC photodiodes against UV radiation. The devices under test showed an initial burn-in effect, i.e., the photocurrent response dropped by less than 5% within the first 40 h of artificial UV aging. Such burn-in effect under UV stress was also observed for previously available polytype 6H silicon carbide (6H–SiC) p–n photodetectors. After burn-in, no measurable degradation has been detected, which makes the devices excellent candidates for high irradiance UV detector applications.
¹Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin (PTB), 4.1 Photometry and Applied Radiometry, Braunschweig, Germany, ²sglux GmbH, Berlin, Germany
Proceedings of NEWRAD2011, edited by S. Park and E. Ikonen. (Aalto University, Espoo, Finland, 2011) p. 203.
Abstract
For monitoring high UV irradiance, silicon carbide (SiC) based photodiodes are used. In this paper we describe the characterization of the novel SiC UV photodiodes in terms of their spectral and integral responsivity. Special attention is paid to the aging behavior of the photodiodes due to high UV irradiance. Artificial aging of the samples is performed by illumination with a high power medium pressure mercury discharge lamp.