Von besonders hohem Interesse im Segment der Sensortechnik ist derzeit die Erfassung ultravioletter Strahlung, zum einen bei der Bestrahlung mit  wohldosierten Mengen von UV-Licht mit den bekannten gesundheitlichen Vorteilen und zum anderen – gewissermaßen im Gegensatz dazu – bei zu hoher oder zu niedriger UV-Bestrahlung mit den verbundenen Risiken und Gesundheitsproblemen. Um die genaue Dosis zu bestimmen, ist es wichtig, eine effektive und genaue Messung der UV-Intensität vorzunehmen.

Eckdaten

UV-Licht kann je nach Intensität positive aber auch negative Auswirkungen auf den Menschen haben. Nicht nur durch die massenhafte Verbreitung von Smartphones, Fitnessbändern und anderen Wearables eröffnen sich für die UV-Messung neue Anwendungsbereiche. Kleine, leistungsstarke und stromsparende UV-Sensor-Chips sind hierfür Grundvoraussetzungen.

Bedeutung und Nutzen der UV-Sensortechnik wachsen in vielen Schlüsselmärkten, doch gilt es weitere technische Hürden zu überwinden, damit sich die UV-Sensorfunktionalität auch auf weniger naheliegende Einsatzgebiete ausweiten lässt, wie beispielsweise für die Indoor-/Outdoor-Erkennung und einen verbesserten Weißabgleich beim Einsatz von Kamera-Blitzlichtern. Über das begrenzte Platzangebot und die eingeschränkte Energieversorgung hinaus, die für alle in Wearables und anderen tragbaren Elektronik-Kleingeräten eingesetzten Bauelemente gelten, bestehen für UV-Sensoren weitere spezielle Herausforderungen. Sie müssen eine extrem hohe Empfindlichkeit für UV-Licht aufweisen, um auch noch hinter einem Deckglas, das die UV-Strahlen fast vollständig blockiert, effektiv zu arbeiten.

Gesundheitliche Auswirkungen von UV-Strahlen

Je nach der Intensität und Dauer kann die Bestrahlung mit UV-Licht gut oder schlecht sein. Nach Aussage der Weltgesundheitsorganisation WHO wirken sich geringe Mengen von UV-Strahlung günstig auf den Menschen aus und sind unerlässlich für die Erzeugung von Vitamin D, das gegen Multiple Sklerose, Diabetes 2 und Osteoporose schützt. Eine andere positive Anwendung liegt in der Behandlung von Krankheitsbildern wie Rachitis, Psoriasis, Ekzemen und Gelbsucht. Auch durch Vitamin-D-Mangel verursachte Knochenkrankheiten können ihre Ursache in einer zu geringen UV-Bestrahlung haben.

Diese WHO-Grafik stellt die gesundheitlichen Auswirkungen von zu hoher oder zu niedriger UV-Bestrahlung anschaulich dar.

Diese WHO-Grafik stellt die gesundheitlichen Auswirkungen von zu hoher oder zu niedriger UV-Bestrahlung anschaulich dar. World Health Organisation

Eine lange und intensive UV-Bestrahlung kann hingegen zu akuten und chronischen gesundheitlichen Schädigungen der Haut, der Augen und des Immunsystems führen. Beim Sonnenbrand kennen wir hauptsächlich die vorübergehende Rötung der Haut, aber auch ernstere Langzeitauswirkungen, darunter beschleunigte Hautalterung und sogar lebensbedrohliche Krebserkrankungen können die Folge sein. Auch die Augen sind empfindlich gegenüber UV-Strahlung mit potenziellen Auswirkungen wie Entzündungen oder grauer Star.

Bis vor Kurzem waren Geräte zur UV-Überwachung nicht so ohne Weiteres tragbar mit der Folge, dass Menschen bei unvorsichtiger Sonnenexposition leicht Schäden der Haut davon tragen konnten. Die immer weiter verbesserte Technik ermöglicht inzwischen immer kleinere UV-Sensoren für den Einsatz in tragbaren Geräten, die uns in die Lage versetzen, unsere UV-Bestrahlung deterministischer zu verwalten.

Schlüsselmärkte für UV-Sensoren

Ein UV-Sensor für die UV-Überwachung zur Gesundheitsprävention sollte am besten dort platziert sein, wo der Sensor die gleiche Menge an UV-Strahlung erhält wie der Nutzer. Hier spielen die Wearables eine wichtige Rolle, schließlich tragen wir heutzutage mehr Technologie am Körper als jemals zuvor. In den Wearables, ob Smartphone, Smartwatch, Fitnessband, Kopfhörer oder sogar intelligente Textilien, sind mehr Gesundheitsdaten gespeichert als unser Hausarzt wohl jemals von uns bekommen hat. Sie sind somit ideale Plattformen für einen UV-Sensor. Marktuntersuchungen haben gezeigt, dass im Jahr 2015 etwa 80 Millionen Wearable-Geräte auf den Markt kamen, und diese Zahl wird voraussichtlich bis zum Jahr 2019 auf über 200 Millionen steigen. In zunehmendem Maße sind diese Geräte intelligent und vernetzt, was viele weitere Optionen durch den technischen Fortschritt erwarten lässt.

Die Messung der UV-Intensität lässt sich allerdings auch für andere Anwendungen als für die persönliche Gesundheit verwenden. Einsatzbereiche finden sich zum Beispiel im Gartenbau, wo eine Langzeitüberwachung des UV-Pegels sicherstellt, dass zur Samenkeimung und für das Pflanzenwachstum das richtige UV-Niveau vorhanden ist. In industriellen Anwendungen lassen sich UV-Sensoren beispielsweise zur Branderkennung oder zur Desinfektionsüberwachung verwenden. Kontrollierte UV-Bestrahlung kann also sowohl zu unserem Schutz und zur Verhinderung von Beschwerden beitragen als auch das Pflanzenwachstum fördern sowie viele weitere positive Auswirkungen haben. Daher kommt der Messung und Überwachung der UV-Intensität eine immer größere Bedeutung zu.

Technische Herausforderungen

Die grundsätzlichsten Aufgabenstellungen bei UV-Sensoren hängen damit zusammen, dass sie klein, unauffällig und für den mobilen Einsatz geeignet sein müssen, was für den Erfolg jedes Mobilgeräts unumgänglich ist. Ob in einem speziellen UV-Überwachungsgerät montiert oder als Teil von Multifunktions-Wearables, stets werden Abmessungen und Stromverbrauch von UV-Sensoren entscheidend sein.

Das Blockdiagramm zeigt die Funktionalität des voll ausgestatteten, hochintegrierten Sensors ZOPT2202.

Das Blockdiagramm zeigt die Funktionalität des voll ausgestatteten, hochintegrierten Sensors ZOPT2202. IDT Integrated Device Technology

Die Empfindlichkeit von optischen Sensoren im UV-Bereich ist eine weitere grundlegende Herausforderung. Die Sensoren sind aus designtechnischen als auch aus funktionellen Gründen meist hinter Glas montiert. Hierbei wird oft sogenanntes Gorilla-Glas verwendet, das allerdings im typischen Bereich der UV-Wellenlängen 95 % der Energie herausfiltert. Ein UV-Sensor kann nur dann als nützlich betrachtet werden, wenn er aus dem verbleibenden Licht aussagekräftige Daten generieren kann.

Um die Messung des UV-Wertes nicht zu verfälschen, müssen die hochempfindlichen Fotodioden, die die UV-Strahlung messen, vor dem Einfluss von Tageslicht und ganz besonders von Infrarotlicht geschützt werden, welches das Deckglas des Geräts nahezu ungefiltert durchdringt. Dies erreicht man normalerweise durch die Verwendung einer optischen Beschichtung auf dem internen Sensor-IC. Diese optische Beschichtung schützt jedoch lediglich die IC-Oberfläche und nicht die Chip-Seitenflächen. Diese sind empfindlich für das Eindringen von Licht und insbesondere von Infrarot-Strahlung. Die IR-Strahlung kann dann durch den Baustein diffundieren, die Photodioden beeinflussen und die Messung verfälschen. Deshalb müssen zusätzlich besondere Maßnahmen getroffen werden, um auch die Chipkanten licht- und IR-undurchlässig zu machen.

Innovationen für neue Lösungen

Der potenzielle Markt für die UV-Messung verlangt nach innovativen Halbleiterlösungen, welche die technischen Herausforderungen in den Griff bekommen, um die Chancen zu nutzen und die Nachfrage der Verbraucher stillen zu können.

Das digitale UVA/UVB-Lichtsensor-IC ZOPT2202 ist in einem Miniatur-LGA6-Gehäuse untergebracht.

Das digitale UVA/UVB-Lichtsensor-IC ZOPT2202 ist in einem Miniatur-LGA6-Gehäuse untergebracht. IDT Integrated Device Technology

Auf der CES 2016 in Las Vegas brachte der Sensorhersteller IDT Integrated Device Technology, der im letzten Jahr die ZMDI in Dresden übernommen hat, mit dem digitalen UVA/UVB-Lichtsensor-IC ZOPT2202 einen neuen UV-Sensor auf den Markt. Kurz darauf stellte das Unternehmen den ZOPT2201 vor, der dieselben UVB-Lichterfassungseigenschaften besitzt, jedoch den UVA-Kanal durch einen Umgebungslichtsensor (ALS – Ambient Light Sensor) ersetzt, der die Charakteristik des menschlichen Auges nachbildet. Mithilfe des ALS-Sensors wird üblicherweise die ideale Displayhelligkeit in Abhängigkeit vom Umgebungslicht eingestellt. Dadurch trägt der Sensor zu einer deutlichen Energieeinsparung bei, indem zugunsten einer verlängerten Akkulaufzeit das Display immer nur mit der notwendigen Helligkeit und nicht der maximalen Helligkeit betrieben wird.

Der ZOPT2201 kann die bereits in fast jedem Smartphone und anderen Wearables vorhandenen ALS-Sensoren ersetzen und stellt so bei gleichem Platzbedarf neben der Umgebungslichtmessung eine zusätzliche Funktion zur Verfügung.

Im ZOPT2202 sind zwei Arten von UV-Sensoren integriert: eine, die primär im UVA-Spektralbereich und eine weitere, die im UVB-Bereich empfindlich ist. Mit seinem Miniatur-LGA6-Gehäuse (2,0 × 2,2 × 0,7 mm) ist der Baustein für die Implementierung in tragbare Geräte und Wearables prädestiniert. Im aktiven Zweikanalbetrieb verbraucht er lediglich 130 µA, während der Standby-Strom bei nur 1 µA liegt.

Der Sensor-IC ZOPT2202 kann UVA und UVB unterscheiden.

Der Sensor-IC ZOPT2202 kann UVA und UVB unterscheiden. IDT Integrated Device Technology

Der hochempfindliche Sensor zeichnet sich durch einen weiten Dynamikbereich aus und kann UV-Indexe von 1 bis 11 mit hoher Genauigkeit erfassen. Damit lässt er sich auch effektiv hinter Standard-Gorilla-Glas anbringen und eignet sich so für den Einsatz in allen modernen mobilen Geräten.

Das Gehäuse des Sensors ist für die Streulichtunterdrückung optimiert und ein proprietärer Filterprozess sorgt für ein stabiles Ansprechen über einen weiten Einfallswinkel. Der Baustein besitzt außerdem eine hohe Immunität gegen flackernde Leuchtstoffröhren-Beleuchtung. Für hochvolumige Anwendungen sind die Filter entsprechend der jeweiligen Erfordernisse konfigurierbar.

Die I2C-Schnittstelle lässt sich mit bis zu 400 kHz betreiben und ist kompatibel mit 1,8-V-Logik. Zur Anpassung an spezielle Anforderungen der Applikation ist die lineare Ausgangscodeauflösung zwischen 13 und 20 Bit konfigurierbar. Eine programmierbare Interrupt-Funktion für UVA oder UVB reduziert zudem die Arbeitsbelastung des Mikrocontrollers.

Bei einer Versorgungsspannung von 1,7 V bis 3,6 V arbeitet der ZOPT2202 zuverlässig zwischen -40 °C und +90 °C. Er verfügt über eine hervorragende Temperaturkompensation und eignet sich auf diese Weise ideal zur Verwendung in sonnigen Umgebungen.