隨著UVC LED(短波紫外線LED)的性能不斷提升，這種新技術(shù)正從生命科學(xué)和環(huán)境監(jiān)測儀器應(yīng)用中獲得動能。如同對于所有新興技術(shù)一樣，設(shè)計人員必須瞭解其與現(xiàn)有方案的一些基本差異，而不是理所當(dāng)然地認(rèn)為可以“即換即用”。這讓設(shè)計者能充份發(fā)揮UVC LED的全部優(yōu)勢。經(jīng)過仔細(xì)地權(quán)衡，采用UVCLED的設(shè)計可以縮小產(chǎn)品體積、降低功耗，并為終端用戶降低擁有成本。

　　UVC LED的儀控應(yīng)用

　　由于UVCLED能滿足市場對于小型化、降低成本和即時測量等趨勢的要求，將其導(dǎo)入光譜應(yīng)用的興趣正持續(xù)升溫。相較于氘或氙氣閃光燈，LED輸出較窄頻譜光源，元件的光輸出全部都可用于測量。使用者可根據(jù)應(yīng)用需求選擇感興趣的特定峰值波長。針對特定應(yīng)用，目前已開發(fā)出254nm波長水銀燈的標(biāo)準(zhǔn)化測量方法。例如，當(dāng)依據(jù)EPA標(biāo)準(zhǔn)檢測水和空氣品質(zhì)時，需要一個接近254nm峰值波長的LED光源。表1整理在生命科學(xué)研究、藥品生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用中，能以光譜辨識的一些重要有機(jī)化合物。

表1：常見的有機(jī)化合物及其峰值吸收波長

　　在儀控應(yīng)用中，選擇光源的另一個主要標(biāo)準(zhǔn)是峰值波長的光輸出。由于LED只有單一峰值，所以光輸出均集中于一個特定波長，這和其它紫外線(UV)燈并不一樣。吸收光譜的應(yīng)用通常需要低層級的光輸出——1mW或以下。然而，在流通池(flowcell)與光源隔離的情況，由于光訊號在到達(dá)流通池前存在嚴(yán)重衰減，所以需要更高的光輸出功率。這可要求LED的光輸出遠(yuǎn)超1mW。

　　在螢光光譜域，訊號強(qiáng)度與光的強(qiáng)度成正比。LED的激勵功率取決于所需檢測的示蹤劑濃度高低，所以在這些應(yīng)用中，單個LED所需的光輸出可能大于2mW。圖1比較儀器中常用的UV光源輻照度。盡管LED的輸入功率要小得多，但在所需UVA波長段的輻照度卻高于其它光源，使其成為在特定測量中實現(xiàn)更高效的光源。

圖1：UVC LED、氙氣閃光燈和氘燈的輻照度比較

　　在選擇波長與光輸出后，另一個重要參數(shù)是視角，它影響到儀器的整個光學(xué)系統(tǒng)。廣泛來說，它有兩種選擇：窄視角或?qū)捯暯恰Ｕ暯墙?jīng)由球透鏡實現(xiàn)，寬視角則采用平面窗。窄視角可在小范圍內(nèi)獲得高強(qiáng)度光，而其封裝通常用于光直接聚焦投射于儀器的應(yīng)用。

　　平面窗具有更廣的輻射模式，當(dāng)與光纖同時用于遠(yuǎn)端耦合時，具有較佳的容限。這特別適用于流通池必須與光源和電子電路隔離的應(yīng)用(例如監(jiān)測高溫化學(xué)過程或具有高揮發(fā)性溶劑的色譜分析)。在實際應(yīng)用中：窄角球透鏡可使儀器中的元件數(shù)減至最少；而寬角平面窗則使設(shè)計更具有靈活性。

　　最佳化驅(qū)動電流，讓設(shè)計工程師可均衡光輸出以及應(yīng)用的使用壽命要求。以低于制造商規(guī)范評等的額定電流驅(qū)動LED，將會降低光輸出，但也將延長光源的使用壽命。在需要高LED輸出功率的應(yīng)用中，有些終端使用者選擇以高于資料表規(guī)格的電流驅(qū)動LED。以這種方式提高驅(qū)動電流，則可增加光輸出，但也會帶來犧牲性能的風(fēng)險。

　　過熱是一種常見的問題，它可能同時對LED的光輸出和生命周期帶來負(fù)面影響。由于LED的瞬態(tài)開關(guān)特性，可以周期性方式快速開啟和關(guān)閉LED。在一般需要更高光輸出的螢光應(yīng)用中，經(jīng)常采用工作周期(dutycycle)操作，以便更安全地提高LED電流。

　　工作周期定義為LED在一次周期中開啟時間所占的百分比；其中，周期是指完成一次LED開-關(guān)循環(huán)所用的總時間。例如，以50%工作周期作業(yè)的LED，其開啟和關(guān)閉時間恰好各占一半。圖2顯示不同驅(qū)動電流與工作周期的標(biāo)準(zhǔn)化光輸出。

　　圖2：在此我們看到不同工作周期對標(biāo)準(zhǔn)化光輸出的影響，同時，LED的開啟時間持續(xù)在500μs。標(biāo)準(zhǔn)化功率是相對于最大額定工作電流100mA時(加裝合適散熱片)光輸出的相對光輸出功率以大電流驅(qū)動LED會影響LED結(jié)溫，進(jìn)而影響其使用壽命和光輸出。

    最佳化工作周期可讓增加的驅(qū)動電流對結(jié)溫的影響降至最小，從而保護(hù)LED性能。圖3顯示工作周期對維持LED結(jié)溫可能產(chǎn)生的影響。以5%的工作周期操作LED，可在對結(jié)溫影響最低的情況下，使光輸出(圖2)提高三倍。

　　圖3：圖中顯示不同工作周期對結(jié)溫的影響，其中LED開啟時間都是500μs

　　過度發(fā)熱對于LED光輸出和使用壽命帶來負(fù)面影響。長期來看，發(fā)熱會縮短LED的使用壽命。采用UVCLED設(shè)計時，熱管理極其重要，因為相較于更長波長的LED，驅(qū)動UVCLED能量的更大部份被轉(zhuǎn)化為熱量。適當(dāng)?shù)臒峁芾砟苁菇Y(jié)溫低于特定應(yīng)用的要求，并保持LED的性能。除了被動和主動冷卻方法，所選擇的PCB也可以實現(xiàn)更佳散熱。

　　圖4：圖中比較未使用散熱片的FR4和Al PCB的熱墊溫度(a)；以及使用和不使用散熱片的AlPCB的熱墊溫度(b)

　　FR4由于其成本相對較低，是最常用的PCB材料之一，但其熱導(dǎo)率較低。對于系統(tǒng)熱負(fù)載高的系統(tǒng)來說，熱導(dǎo)率更高的金屬芯PCB是更好選擇。隨著散熱需求增加，設(shè)計者通常采用加大PCB面積和增加散熱片的方式實現(xiàn)較優(yōu)質(zhì)的熱管理。如果需要更強(qiáng)的散熱，設(shè)計者還可采用更積極的冷卻技術(shù)。

　　隨著UVC LED性能提高，設(shè)計人員開始將其設(shè)計靈活的優(yōu)勢用在光譜儀器和消毒反應(yīng)器等應(yīng)用中。在這些應(yīng)用中選用LED，可實現(xiàn)更緊密、更高效，通常也更具成本效益的設(shè)計。隨著UVC LED技術(shù)的不斷發(fā)展，聰明的設(shè)計師將會發(fā)現(xiàn)更多方法來發(fā)揮UVC LED的優(yōu)勢以因應(yīng)這些市場的挑戰(zhàn)。