公共场所消毒灭菌:期待高性能紫外光源与紫外传感器

2020年注定是不平凡的一年,年初爆发的新型冠状病毒肺炎肆虐全国,让国人越来越意识到公共卫生的重要性。抗击病毒最有效的手段就是切断其传播途径,居家隔离不出固然有效,但人们的生产和社交活动不可能脱离公共场所,这就存在病毒通过空气和直接接触在公共交通工具、教室、商场、医院、甚至街道进行传播的重大风险。因此,大力加强对公共设施的有效消毒灭菌刻不容缓!

在多种消毒技术中,利用深紫外光照射来消毒灭菌是最有效的方法之一,具有无色、无味和无化学残留等诸多优点。紫外线消毒原理是利用280nm以下的UVC波段高能深紫外光子直接破坏微生物(细菌、病毒和病原体)的DNA或RNA遗传物质,通过阻断其繁殖来实现高效快速的广谱灭菌效果。相比之下,其他波段的紫外光,如280nm以上的UVA和UVB波段,则最多只能起到抑菌效果,不具备杀灭细菌和病毒的能力。紫外光消毒实际是一项已经使用多年的技术,目前在医院和餐饮领域得到了广泛采用,但随着公共场所消毒需求的大幅度增加,该技术的发展也面临新的挑战:

1. 传统的紫外消毒光源是以紫外汞灯为主,技术相对成熟,但存在以下问题,第一,汞(也称:水银)具有强烈的环境和生物毒害作用,中国是已开始生效的《水俣公约》签约国之一,根据该公约我国从2020年起须逐步禁止生产和进口含汞产品;第二:紫外汞灯普遍存在体积大、功耗高和寿命短(千小时量级)的缺点,难以在白色家电(如空气净化器和饮水器)领域大规模推广。

2. 基于氮化镓半导体的深紫外发光二极管(LED)是紫外消毒光源的主流发展方向。由于其具备LED冷光源的全部潜在优势,深紫外LED是公认的未来替代紫外汞灯的绿色节能环保产品。但深紫外LED技术门槛很高,目前还是处于发展阶段,在光功率、光效、寿命、成本等方面还有待提升。近年来,深紫外LED的技术水平和芯片性能进步很快,在一些高端领域已经得到批量应用,相信类似于半导体照明白光LED的发展,深紫外LED未来也一定会得到广泛应用。

3. 在公共卫生应用领域,紫外消毒技术的有效性和安全性必须得到保障。一方面,对于不同的细菌和病毒要满足足够的紫外辐照剂量和时间,否则不能灭活;另一方面,深紫外光不能直接照射裸露的皮肤、眼睛,如果使用不当反而会对人造成严重伤害。由于深紫外光肉眼完全不可见,对其使用的有效性和安全性必须严加管控。因此,理论上讲,紫外净化设备必须加装紫外传感器,对紫外光的强度和辐照剂量进行实时测量,确保消毒灭菌过程的彻底和可靠,否则就会给用户带来很大的卫生隐患。

4. 现有紫外光强的检测和校准标准仍不规范;紫外光源厂家虚报功率值和寿命的现象时有发生,紫外光源的表面沾污和不良光学设计也会严重影响紫外光的输出效果;同时,传统的硅光电二极管对UVC波段的深紫外光响应度很低,且极易受背景白光和其他波段紫外光的干扰,不适合用于消毒紫外光的监测。近年来出现的基于第三代半导体材料的紫外传感芯片产品可以有效克服以上问题,并已经表现出卓越的性能,值得大规模推广应用。

以下简述国内深紫外LED芯片与紫外传感芯片的产业化发展情况:

目前市场上高端的深紫外LED产品仍主要以日本、韩国厂商为主,不过越来越多的国内半导体公司开始关注深紫外行业,进行了深度布局。青岛杰生(圆融光电)从2008年开始一直深耕深紫外LED市场,目前可以实现深紫外LED芯片量产销售,并自主进行深紫外封装、模组产品生产销售,布局了整个深紫外芯片-封装-模组产品链。

除青岛杰生外,传统照明LED芯片巨头三安光电和初创公司武汉深紫也于2019年实现了深紫外LED芯片量产,其中三安光电是以销售深紫外LED芯片为主,处于整个行业产品链的上游;而武汉深紫则主要基于自己研发的芯片制作深紫外LED封装及模组产品,但对外不提供核心深紫外LED芯片。此外,国内正在研发深紫外LED芯片的公司还有中科潞安、华灿光电、鸿利秉一(主营封装,芯片采购自LG)等白光LED行业巨头。

和深紫外LED芯片类似,多年以来高性能紫外传感芯片技术一直被以美国、德国为代表的西方国家垄断,对我国进行技术封锁和高价销售。这一状况近年来被苏州镓敏(前身为镇江镓芯)所打破。目前,镓敏光电是国内唯一拥有紫外传感芯片技术的公司,所开发的高端氮化镓和碳化硅紫外传感芯片已投入大批量生产,在饮用水、空气、食品、衣物和医疗器械等紫外净化领域得到了规模应用。

苏州镓敏光电科技有限公司技术总监 周东授权转发

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