[go: up one dir, main page]

WO2009135524A1 - Danger alarm - Google Patents

Danger alarm Download PDF

Info

Publication number
WO2009135524A1
WO2009135524A1 PCT/EP2008/055553 EP2008055553W WO2009135524A1 WO 2009135524 A1 WO2009135524 A1 WO 2009135524A1 EP 2008055553 W EP2008055553 W EP 2008055553W WO 2009135524 A1 WO2009135524 A1 WO 2009135524A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
sensor device
sensitive
metal oxide
semiconductor sensor
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/055553
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Goulet
Ulrich Hoefer
Isabelle Vinage
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to PCT/EP2008/055553 priority Critical patent/WO2009135524A1/en
Priority to EP08750099A priority patent/EP2281286A1/en
Publication of WO2009135524A1 publication Critical patent/WO2009135524A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G08SIGNALLING
    • G08BSIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/103Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • G01N21/53Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0062General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the measuring method or the display, e.g. intermittent measurement or digital display
    • G01N33/0063General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the measuring method or the display, e.g. intermittent measurement or digital display using a threshold to release an alarm or displaying means
    • GPHYSICS
    • G08SIGNALLING
    • G08BSIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/103Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device
    • G08B17/107Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device for detecting light-scattering due to smoke
    • GPHYSICS
    • G08SIGNALLING
    • G08BSIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/117Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means by using a detection device for specific gases, e.g. combustion products, produced by the fire

Definitions

  • the invention relates to the technical field of danger detection technology.
  • the invention particularly relates to a hazard detector having a gas-sensitive sensor device.
  • the invention further relates to a method for detecting a dangerous situation using such a danger detector.
  • Automatic fire detectors can detect fire or its formation based on the physical characteristics of the fire and subsequently trigger an alarm. This can be used to initialize firefighting measures and warnings to people inside a building. By alerting competent security personnel and / or the fire brigade, measures can be taken to protect property and personal safety. Thus, the risk of the spread of a fire can be significantly reduced.
  • An effective and reliable operation of the automatic fire detection systems is of great importance for use in homes, public facilities, transportation or industrial facilities. This is especially true for buildings that are difficult to evacuate, such as buildings with high ceilings
  • Hazard potentials such as hotels, single-family homes with many children, nursing homes, etc.
  • Known fire detectors are characterized by the detector or sensor principles used and their mode of action. For example, fire gas or flue gas detectors, heat detectors, smoke detectors, flame detectors and so-called multicriteria detectors are used for fire detection.
  • a fire gas or flue gas alarm triggers an alarm when the concentration of carbon monoxide, carbon dioxide or other combustion gases in a room reaches a certain level Value exceeds.
  • Fire gas or smoke detectors typically use a gas sensor.
  • a heat detector triggers an alarm when the room temperature exceeds a certain value, such as about 60 ° C, or within a certain time the ambient temperature rises above average.
  • Smoke detectors use various physical effects to detect smoke.
  • optical scattered light detectors for example, light scattering of smoke particles is used for fire smoke detection.
  • a flame detector uses characteristic emissions of a flame in a specific spectrum (infrared to ultraviolet) to detect a flame.
  • a so-called multi-criteria detector combines in a device e.g. an optical smoke detector and a heat detector. By evaluating several output signals, multi-criteria detectors can be made less sensitive to false alarms.
  • the above-mentioned detectors are only suitable for a simple classic detection of the fire or its emergence. You can not provide any further information regarding the fire or the development of the fire.
  • the invention is based on the object, a hazard detector and a method for detecting a dangerous situation under
  • Independent claim 1 describes a danger detector with a gas-sensitive semiconductor sensor device, an optical smoke detection device and an evaluation unit for evaluating a first output signal of the gas-sensitive semiconductor sensor device and a second output signal of the optical smoke detection device.
  • the above-mentioned danger detector is based on the knowledge that the functionality of a classic fire alarm can be extended by combining two different sensory principles in an advantageous manner.
  • An optimized choice of these principles may be of considerable importance in terms of effective and reliable operation of such a hazard detector. Criteria and constraints, such as low power consumption, sufficient sensitivity and cross-sensitivity, distinctness of a plurality of different signals, and economics, may be considered in the selection of the sensory principles to be combined.
  • a detection system of an optical smoke detector is advantageously combined with a detection system of a gas-sensitive semiconductor sensor (gas-sensitive semiconductor sensor device).
  • An evaluation unit can evaluate both an output signal of the optical smoke detector and an output signal of the gas-sensitive semiconductor gas sensor. However, the evaluation unit will preferably carry out an evaluation based on both output signals.
  • the evaluation unit may, for example, an analog-to-digital converter for converting and a multiplexer for combining identify the two output signals. Furthermore, the evaluation unit can identify a processor which is suitable for evaluating the two output signals individually or in a combination by means of a corresponding software. The evaluation unit can either be used together with the gas-sensitive
  • hazardous substances are hazardous gases and / or liquids, in particular fire-hazardous, fire-fighting substances, fire-accelerating substances, explosive gas mixtures and / or explosive dust.
  • Fire-hazardous substances can be substances that are particularly suitable for causing a fire hazard. For example, they may be flammable, highly flammable, highly flammable and self-ignitable substances.
  • Fire-accelerating substances can be understood to mean flammable chemical substances used to increase the rate of fire propagation. Examples of accelerating substances are liquids such as ethanol, gasoline or the like, which can be poured over objects to be burned.
  • fire-fighting substances are oxygen, oxygen-rich salts such as potassium chlorate, peroxides and fluorine.
  • the dangerous substance can be eliminated. Also can be warned in time before the occurrence of explosive gas mixtures. If, for example, a timely warning is no longer possible in the case of an arson, it is also possible to create a possibility of recognizing the potentially used fire-fighting substance and of initializing monitoring devices. Thus, for example, records of surveillance cameras can facilitate law enforcement.
  • the combination of the detection systems of the optical smoke detector and the gas-sensitive semiconductor sensor also makes it possible to detect explosive dust and / or its fire products.
  • dust can also be detected with an optical smoke detector. But if these are only so present in their nature or concentration that they can not be recognized as a typical fire smoke, then usually no alarm is triggered. If there is subsequently an ignition of the dust, the fire can be detected by means of the gas-sensitive semiconductor sensor and / or the optical smoke detector. An evaluation of the time course of the output signals then makes it possible to detect the dust as the cause of the fire.
  • the evaluation unit can compare and / or superimpose the output signals of the gas-sensitive semiconductor sensor and the optical smoke detector and / or relate the time profile of the output signals to one another in order to be able to estimate the cause of the fire.
  • a combined evaluation of the output signals both before a fire as well as during a fire can be performed.
  • another cause of fire or an additional latent fire hazard can be detected.
  • Information on possible causes of fire, together with information on dangerous situations, should be used against the background of a suitable choice of extinguishing agents, clarification of property protection issues, identification of causes such as arson, discharge of fire-fighting substances, plant defects, prosecution of an arsonist and warning and evacuation of persons very desirable.
  • the danger detector it becomes possible to realize a comprehensive extension of the safety concept in living rooms, public buildings, means of transport or industrial plants.
  • natural gas which can form an explosive gas mixture with the air and is a fire-demanding substance.
  • toxic gases such as carbon monoxide (CO), which may be released by defective incinerators.
  • a single device - the hazard detector - can trigger various types of alarms, such as a "fire” alarm, a "fire-demanding” alarm, a “CO” alarm, a "dust” alarm. Furthermore, relevant information regarding a determination of the cause of the fire and a recommendation for extinguishing agent can be determined. Also, control and control mechanisms of, for example, surveillance cameras and / or emergency exits can be activated.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device has a metal oxide semiconductor gas sensor.
  • metal oxide semiconductor gas sensors for hazard detectors may be advantageous as they are inexpensive, have high sensitivity, simple electronic circuitry, and a lifetime of up to several years. sen.
  • a metal oxide semiconductor gas sensor changes its electrical conductivity or resistance as soon as certain gases act on it.
  • gases that can be detected with metal-oxide-semiconductor gas sensors are, for example, propane, butane, methane, natural gas, carbon monoxide, sulfur dioxide, nitrogen monoxide and / or nitrogen dioxide.
  • Metal oxide semiconductor gas sensors can also be used to detect ammonia, alcohol, etc.
  • the metal oxide semiconductor gas sensor may be a gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer such as tin dioxide
  • the acceptor density at the surface of the metal oxide which determines the electrical conductivity is influenced by a gas reaction with the gas to be detected.
  • the conductivity or the resistance of the metal oxide semiconductor gas sensor can be changed.
  • a sequence of this gas reaction could be triggered and / or accelerated by heating the metal oxide semiconductor gas sensor and the selectivity required.
  • temperatures between 150 0 C and 900 0 C for example 150 ° C, 300 0 C, 500 ° C, 700 ° C or even 900 0 C are used.
  • temperatures between 150 0 C and 900 0 C for example 150 ° C, 300 0 C, 500 ° C, 700 ° C or even 900 0 C are used.
  • the nature of the gases reacts differently with the metal oxide surface.
  • the intensity of the Effect is also dependent on the selected temperature of the metal oxide.
  • the sensitivity of a Ga 2 O metal oxide sensor to carbon monoxide (CO) decreases to higher operating temperatures. That is, the relative conductivity change decreases with increasing temperature.
  • methane (CH 4 ) z. B. remains the sensitivity of Ga 2 0 3 obtained -Metalloxidsensors substantially with increasing temperature.
  • the metal oxide semiconductor gas sensor which can be heated and cooled down again correspondingly, since they have a low thermal mass, temporal aspects of the gas reaction can be included in the evaluation.
  • the property of the gases is based on being able to have different adsorption and desorption times; ie the residence time of the gases on the semiconductor surface may depend on the type of gas. These differences can be found in the temporal form of the sensor signal and can thus be included in the evaluation.
  • a lower working temperature on the other hand, can additionally provide for low power consumption.
  • the metal oxide semiconductor gas sensor may have a heating and cooling time of less than 100 ms. Ideally, the above-mentioned gas reaction is completely reversible and, in combination with a thermal cycling process, enables detection and discrimination of a variety of gases.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device has an arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors.
  • each individual metal oxide semiconductor gas sensor of the array of multiple metal oxide semiconductor gas sensors can react differently to a particular event. This results at any time in a signal pattern, which is composed of the individual output signals.
  • Signatures can subsequently be compared with entries stored in an event library and assigned to the entries, if necessary.
  • Each additional single metal oxide semiconductor gas sensor increases the detection reliability of an event.
  • Information derived from metal oxide semiconductor gas sensors does not require complete selectivity of the individual sensors to individual gases.
  • the metal oxide semiconductor gas sensor or the arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors has a carrier element with a thickness of less than 100 ⁇ m, preferably less than 50 ⁇ m and in particular less than 1 ⁇ m.
  • the support element may be formed as a thin membrane.
  • the metal oxide semiconductor gas sensor is micromechanically manufactured with such a support element.
  • An extremely thin cross section for a solid state warming line can result in very good thermal isolation of the metal oxide semiconductor material layer from remaining portions of the metal oxide semiconductor gas sensor. This can be a very low heating power requirements result to maintain a constant temperature. For example, only a few 10 mW are required in such metal oxide semiconductor gas sensors in order to stably maintain the metal oxide semiconductor material layer at a temperature of 400.degree.
  • the carrier element can be made for example of silicon nitride Si 3 N 4th
  • metal oxide semiconductor gas sensors In the case of an arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors, it may be constructed on a single support member. In this case, different gas-sensitive metal oxides and / or a differently treated metal oxide can be used, wherein the treatment of the metal oxide z. B. may have a doping or addition of a catalyst.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device has a gas-sensitive field-effect transistor.
  • gas-sensitive field-effect transistors may be advantageous since they (a) may have very small dimensions (for example approximately 2 mm 2 ), (b) can measure both in the heated state and at room temperatures, (c) have a long service life and (d) have a minimum power consumption.
  • the gas-sensitive field effect transistors for a measurement of leaks and an explosion warning can thus be used particularly advantageously.
  • the gas-sensitive field effect transistors are characterized by a simple signal readout.
  • the gas sensitive field effect transistors are also inexpensive and can be used in high numbers for production of gas sensors of various types.
  • a gas sensitive field effect transistor can be constructed as a modified CMOS FET. Gas detection may be based on a change in workfunction at a gate. Between the gate and a transistor channel, a small air gap is established, which is open to a gas space. Thus, a gas can be detected by the change in the work function on the gate, which is equipped with a gas-sensitive gate layer.
  • the gate provided with gas-sensitive layers can be constructed in a micromechanical manner in a whole wafer. For example, a measurement range may begin at approximately 100 ppm.
  • the low power consumption makes it possible to combine the gas sensitive field effect transistors with metal oxide semiconductor gas sensors.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device has an arrangement of a plurality of gas-sensitive field-effect transistors.
  • gas-sensitive field-effect transistors can be constructed by means of a hybrid construction, wherein a common base unit can be used by different gate coatings for different gases.
  • entire arrangements of gas-sensitive field-effect transistors can be realized inexpensively and in the smallest space and thus form a plurality of different gas sensors.
  • Each individual gas sensor of the arrangement of gas-sensitive field-effect transistors can react differently to a specific event. This results at any time in a signal pattern, which is composed of the individual output signals.
  • Signal patterns and / or corresponding signatures can subsequently be compared with the entry of a stored event library and assigned to this entry if necessary.
  • Each additional individual sensor increases the detection reliability of an event.
  • the field effect transistors and arrangements of field effect transistors may also be particularly well suited to exploit intelligent control and evaluation methods, to reliably detect fire situations, to distinguish fire types and relevant gases from each other, and to be able to identify different hazardous situations.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device is set up for the detection of a hazardous substance.
  • the detection of hazardous substances can be very important in terms of early detection of a hazardous situation.
  • the hazardous substance can be eliminated. It is also possible to warn in good time about the occurrence of potentially explosive gas mixtures. If, for example, a timely warning is no longer possible in the case of an arson, it is also possible to create a possibility of recognizing the potentially fire-resistant substance used and subsequently initializing monitoring devices.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device has a heating element.
  • a metal oxide semiconductor gas sensor has an integrated heating element.
  • the metal oxide semiconductor gas sensor can also be heated externally.
  • the field effect transistors are usually operated either unheated or continuously heated to moderate temperatures around 100 ° C.
  • a field effect transistor can also be equipped with a heating element, so that the field effect transistors or arrangements of field effect transistors can also be operated at different temperatures with the aid of this heating element. This can increase the selectivity or detection sensitivity of individual sensors, as in the case of metal oxide semiconductor gas sensors, and thus increase the detection reliability of an event.
  • the heating element may be constructed, for example, as a platinum heater or a polysilicon structure.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device can also have a temperature sensor. An output signal of the temperature sensor can advantageously be used to have another measurement signal available for the detection of a dangerous situation.
  • the average power consumption of the gas-sensitive semiconductor sensor device during operation is less than 10 mW, preferably less than 5 mW and in particular less than 1 mW.
  • the danger detector described preferably has a power consumption in the range of only a few mW.
  • a particularly low power consumption can be achieved with the mentioned hazard detectors, which are based on gas-sensitive semiconductor sensor devices.
  • modern, effective temperature modulation technologies can be used. This can result in a very low heating power requirement.
  • the good thermal insulation, in conjunction with a flat configuration of the metal oxide semiconductor gas sensor on the support member could result in an extremely small time constant for the heating and cooling of the support member, metal oxide semiconductor material layer and heating element.
  • the optical smoke detection device has a scattered light detector and / or a linear smoke detector.
  • Smoke detector allows reliable detection of smoke and / or dust.
  • the scattered light detectors and linear smoke detectors have a low power consumption.
  • the total power consumption of the danger detector can be kept low and remain in the range of a few mW.
  • Scattered light detectors can operate according to a scattered light method based on the so-called Tyndall effect. It uses the knowledge that clear air reflects or scatters virtually no light. But are smoke and / or dust particles in the air and thus in an optical chamber of the scattered light detector, a Pruf light beam, for example, an infrared light emitting diode (LED) is scattered on the smoke and / or dust particles. A portion of the resulting scattered light can then be detected by a light receiver such as a photodiode.
  • a Pruf light beam for example, an infrared light emitting diode (LED)
  • Scattered light detectors are well suited, for example, for the early detection of Schwelbranden with relatively large and bright smoke particles.
  • scattered light detectors can preferably be applied when, for example, in a Fire breakout with cold smoke is expected.
  • a very bright laser diode instead of a simple LED, a very bright laser diode can be used.
  • a linear smoke detector responds to a smoke-induced attenuation of an infrared light beam emitted by a transmitting unit and received by a receiving unit.
  • the linear smoke detectors may be well suited, for example, for monitoring large areas.
  • a method for detecting a dangerous situation using the inventive hazard alarm is specified.
  • a suitable method which advantageously takes into account the two sensory principles combined by the hazard detector, may allow a single hazard detector to be used, for example, for effective and reliable detection of fires, fires, hazardous gases, fire-fighting substances, explosive gas mixtures and dusting can.
  • the evaluation has a combination and / or a comparison of the first output signal and the second output signal.
  • the evaluation is carried out with respect to a time profile of the two output signals.
  • the evaluation unit can compare and / or superimpose the output signals of the gas-sensitive semiconductor sensor and the optical smoke detector and / or relate the time profile of the output signals to one another in order to be able to estimate the cause of the fire.
  • Such an evaluation of the output signals can be carried out both before a fire and during a fire.
  • an evaluation process is initiated in the evaluation unit by the exceeding of a predetermined threshold value of an output signal of the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) and / or the optical smoke detection device (118).
  • the evaluation process which is triggered by the exceeding of the threshold value, it can be achieved, for example, that the evaluation process is carried out only at certain concentrations of certain gases and / or only at certain concentrations of smoke and / or dust particles.
  • the evaluation process can be triggered, for example, if the concentration exceeds a certain value or within a certain time, the concentration increases above average quickly.
  • the appropriate thresholds may be selected for a preferred application and / or functionality of the hazard alarm. For example, false alarms and / or unnecessary evaluation processes can thus be avoided.
  • the evaluation process can thus be triggered by means of a suitable trigger.
  • a heating element of the gas-sensitive semiconductor sensor device operated so variable in time that at least temporarily a change in the temperature of the gas sensor element occurs and the time course of the change in temperature is used as the heat measurement signal.
  • a warm measurement signal can be understood to mean a thermal recovery signal which is largely produced by an energy input from the gas reactions.
  • an exothermic oxidation of the gases to be detected on the gas-sensitive semiconductor sensor device the time course of the temperature change in response to a change in heating turn out differently than when the gases are not present or in a different concentration.
  • the shape of this time course can thus also be used as a large measure of these gases.
  • the heat measurement signal can also represent a heat conduction signal, which is generated predominantly by the heat conduction of gases.
  • a gas composition around the gas-sensitive semiconductor sensor device influences its thermal conductivity. If the gas-sensitive semiconductor sensor device is warmer than the surrounding gas, its cooling by the heat conduction of the gas will depend on the gas composition. This can be read off on the heating course or on the course of cooling of the gas-sensitive semiconductor sensor device.
  • the time course of the change in temperature ie the transient heat measurement signal
  • a temporal change in temperature can be considered directly after switching off the heating, ie the slope of the temperature-time behavior.
  • Another possibility is to look at the change in temperature after a predetermined time has elapsed.
  • Another possibility is to determine the time that elapses for a predetermined change in temperature.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device is heated in first time sections such that it at least reaches a temperature threshold, and in second time periods the gas-sensitive semiconductor sensor device is operated less heated or unheated than in the first time sections.
  • the duration and sequence of the first and second time periods as well as the second temperature is selected such that the average power consumption incurred by the operation of the heating element is less than an upper heating power limit, with 10 mW, preferably 5 mW, and 10 mW as the upper heating power limit in particular 1 mW is used.
  • the first and second sections can alternate and as a temperature threshold, for example 150 ° C can be used. At least one respective output signal of the gas-sensitive semiconductor sensor device from the second time segments can be taken into account. Alternatively, a course of a plurality of output signals of the gas-sensitive semiconductor sensor device can be taken into account in each case from the second time sections.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device is heated in such a way that it assumes further temperatures after a leveling of its temperature, the other temperatures also being selected such that the average power consumption resulting from the operation of the heating element, is smaller than the upper heating power limit.
  • the length of the first time periods can be less than 1 s and the length of the second time periods can be more than 10 s, whereby the sequence and duration of the time periods can be adjusted during operation.
  • the heating element can be operated within at least part of the time segments with a constant heating voltage or constant heating power set for each of these periods.
  • FIG. 1 shows a danger detector
  • FIG. 2 shows a metal oxide semiconductor gas sensor
  • FIG. 3 shows a gas-sensitive field-effect transistor.
  • FIG. 4 shows an arrangement of a plurality of gas sensitive field effect transistors.
  • FIG. 5 shows an evaluation of output signals of a metal oxide semiconductor gas sensor and an optical smoke detection device.
  • FIG. 6 shows an evaluation of output signals of a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the structure of a danger detector 114.
  • the danger detector 114 has a basic element 117.
  • a micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 115, an optical smoke detection device 118 and an electronic circuit with an evaluation unit 119, a multiplexer 116 and a heating supply unit 120 are constructed on the base element 117.
  • the multiplexer 116 is connected to the metal oxide Semiconductor gas sensor 115, the optical smoke detection device 118, the heating supply unit 120 and the evaluation unit 119 and connected to a not shown heating element of the metal oxide semiconductor gas sensor 115.
  • the multiplexer 116 ensures that the output signals of the metal oxide semiconductor gas sensor 115 and the output signals of the optical smoke detection device 118 can be combined and / or compared in an evaluation process. Furthermore, the multiplexer 116 ensures that the heating supply unit 120 is connected to the heating element of the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 115 in the first time segments, and thus the metal oxide semiconductor gas sensor 115 is heated. Furthermore, in the second time periods, the heating element of the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 115 can be connected to the evaluation unit 119 either by means of the multiplexer 116 or directly. This eliminates the heating of the metal oxide semiconductor gas sensor 115 and a measurement of the ambient temperature by the evaluation unit 119 is made possible.
  • the heating supply unit 120 can also be connected directly both to the heating element of the metal-oxide-semiconductor gas sensor 115 and to the evaluation unit 119.
  • a control loop can be formed between the heating supply unit 120, the metal-oxide-semiconductor gas sensor 115 and the evaluation unit 119.
  • GasFET gas-sensitive field effect transistor
  • the GasFET can also be operated unheated.
  • FIG. 2 shows the cross section of a micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215.
  • the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215 has a carrier element 222, for example of silicon nitrite Si3N 4 on.
  • the support element 222 is usually square or rectangular and lies on a frame of silicon
  • the carrier element 222 has a heating element 224. This is in the example given as Maander resistor made of platinum.
  • the ground resistor 224 becomes in a region of the carrier element
  • the heating element 224 is covered by an insulating layer 223, which may, for example, comprise silicon dioxide (SiC> 2 ).
  • insulating layer 2223 On the insulating layer 223 finally sits a gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer 225, which may have, for example, doped with palladium tin dioxide.
  • the metal oxide semiconductor material layer 225 is usually contacted via metallic terminals, which are not shown in FIG.
  • the carrier element of the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215 is only about 1 ⁇ m thick in these examples.
  • This extremely thin cross section for the solid state warming line results in extremely good thermal insulation of heating element 224 and the gas sensitive metal oxide semiconductor material layer 225 from the remainder of the structure. This results in a very low heating power requirement to maintain a constant temperature.
  • only a few mW 10 are needed to maintain the gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer 225 stably at a temperature of, for example, 400 0 C, for example at such a micromachined metal oxide semiconductor gas sensors.
  • the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215 can thus reach a temperature of, for example, about 225 ° C. within less than 150 ms in the heated state. In the unheated state, ie after a switch-off time, the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215 can reach the ambient temperature even faster, namely in less than 100 ms.
  • FIG. 3 shows a gas-sensitive field-effect transistor 315, which will also be referred to below as the gasFET for short.
  • the GasFET 315 is based on a field effect design.
  • GasFET 315 includes a drain 335, a source 334, and a catalytic gate having a gas sensitive gate coating 336 to which gas molecules 339 can adsorb.
  • the gasFET 315 has a temperature sensor 333.
  • the temperature measured by the temperature sensor 333 is taken into account in the evaluation of the signal of the GasFET 315 in order to compensate for influences of the ambient temperature on the signal of the GasFET 315. This can be important if the GasFET 315 is not heated and is thus delivered directly to the ambient temperature.
  • the signal of the temperature sensor 333 can now be advantageously used in order to have available a further measurement signal for the detection of a dangerous situation.
  • FIG. 4 schematically shows an arrangement of a plurality of gas-sensitive field-effect transistors 415.
  • various semiconductor materials such as barium titanate doped copper oxide (BaTiO 3 / CuO) 436A, palladium-doped tin dioxide (Pa / SnO 2 ) 436B, Copper phthalocyanine (CuPC) 436C and polyamide (PA) 436D are used as gas sensitive gate coatings.
  • this order may include a CO 2 sensor 415A, a CO sensor 415B, a Have N ⁇ 2 sensor 415C and a humidity sensor 415D.
  • the arrangement of a plurality of gas-sensitive field effect transistors may alternatively replace the metal oxide semiconductor gas sensor 115 in the hazard alarm 114 or be used in addition to this.
  • an arrangement of a plurality of gas sensitive metal oxide semiconductor gas sensors may alternatively replace the metal oxide semiconductor gas sensor 115 in the hazard alarm 114 or be used in addition thereto.
  • Figure 5 shows a flow of an evaluation of output signals of a metal oxide semiconductor gas sensor and an optical smoke detection device.
  • the gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor is preferably operated by temperature pulses and different temperature ramps with a suitable temperature pulse method 551.
  • the gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor is heated accordingly, for example, suitable current or voltage pulses are applied to the heating element 224 shown in FIG. 2 by the heating supply unit 120 of the gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor 115 shown in FIG.
  • the gas reactions at the gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer will proceed differently, so that the metal oxide semiconductor gas sensor supplies a characteristic of the detected gas molecules output signal. This can be evaluated by means of a subsequent pattern recognition method 552A.
  • Signatures can be understood, for example, to be gas-characteristic reaction curves which show, for example, the resistance and / or the impedance of the metal oxide semiconductor gas sensor.
  • signatures can be understood to mean the corresponding rise curves of the resistance and / or the impedance of the metal-oxide-semiconductor gas sensor.
  • the measured signatures can be compared with signatures stored in a database.
  • the evaluation may provide information as to whether a fire-demanding substance is present.
  • the type of the existing fire-fighting substance can be determined.
  • a concentration of one or more hazardous gases such as CO may be reported.
  • the information as to whether a combustion gas is present and possibly also its concentration can be provided.
  • the information about the time profile of the output signal and / or the concentrations of the gases to be detected can be given.
  • an evaluation of the output signal of the control light detector or the linear smoke detector is performed.
  • This output signal can also be evaluated by means of a pattern recognition method 552B.
  • signatures of smoke and dust are detected.
  • the signatures can in the case of the control light detector, the time course of the intensity and / or the Flackerfrequenz and / or the Signalabdgingtial. Increase rate of scattered light have.
  • the signatures may include the time course of the intensity and / or the flicker frequency and / or the rate of decrease or decrease of the transmitted light received by the receiving unit. These signatures can be compared to signatures stored in a database.
  • the evaluation may, for example, provide the information as to whether smoke and / or dust is present. Furthermore, as a result, the type and concentration of the smoke and / or dust particles can be reported. Also, as a result, the information about the temporal Course of the output signal and / or the concentrations of smoke and / or dust particles are supplied.
  • the two output signals of the metal oxide semiconductor gas sensor and the optical smoke detection device are superimposed and compared 553.
  • the evaluation of the superposition and the comparison can be carried out similarly as described above by means of a pattern recognition method.
  • this evaluation may include an analysis of the time profile 553 of the output signals.
  • additional statements can be made, such as whether it burns without smoke, whether a fire was assisted and / or triggered by a fire-fighting substance.
  • an identification of the burning medium can be made.
  • measures and / or recommendations regarding the type of a suitable extinguishing agent and / or a control of various actuators can be output with this information.
  • the evaluation process by the evaluation unit can be triggered, for example, by exceeding a threshold value of the gas-sensitive semiconductor sensor device and / or the optical smoke detection device.
  • FIG. 6 shows a sequence of an evaluation of output signals of an arrangement of a plurality of gas-sensitive field effect transistors and an optical smoke detection device.
  • the evaluation 652A, 652B, 653 is carried out analogously to the evaluation described in relation to FIG.
  • output signals from different sensors 415A, 415B, 415C and 415D are available for the arrangement of a plurality of gas sensitive field effect transistors shown in FIG.
  • the evaluation of the output signals of the arrangement of a plurality of gas-sensitive field-effect transistors can be carried out in various ways. An evaluation method currently considered particularly suitable is described in the publication by U. Hoefer, A Felske, G. Sulz and K.
  • Example principal component analysis, multivariate data analysis and / or linear discriminant analysis are applied.
  • the sensory principles described in this application particularly emphasize the low power consumption, the low price, the high sensitivity to different gases and the stability of the sensors used.
  • the advantages mentioned represent an important prerequisite in order to realize the danger alarms described in this application and to enable their operation in electronic networks and bus systems.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

A danger alarm (114) is described comprising a gas-sensitive semiconductor sensor device (115), an optical smoke detection device (118) and an evaluation unit (119). The evaluation unit is adapted to carry out an evaluation of a first output signal of the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) and of a second output signal of the optical smoke detection device (118). The gas-sensitive semiconductor sensor device (115) can comprise a metal oxide semiconductor gas sensor and/or a gas-sensitive field effect transistor. Further provided is a method for recognizing a danger situation using the danger alarm (114) described above. The evaluation can optionally comprise a combining and/or comparing of the two output signals. Furthermore, the evaluation can be carried out relative to a temporal progression of the two output signals.

Description

Beschreibungdescription
Gefahrmelderalarm Devices
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Gefahrmeldetechnik. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Gefahrmelder der eine gassensitive Sensoreinrichtung aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Erkennen einer Gefahrsituation unter Verwendung eines derartigen Gefahrmel- ders.The invention relates to the technical field of danger detection technology. The invention particularly relates to a hazard detector having a gas-sensitive sensor device. The invention further relates to a method for detecting a dangerous situation using such a danger detector.
Automatische Brandmelder können Brande oder deren Entstehung anhand physikalischer Eigenschaften des Brandes erkennen und nachfolgend einen Alarm auslosen. Damit können Maßnahmen zur Brandbekämpfung initialisiert werden und Warnungen an Personen innerhalb eines Gebäudes ausgegeben werden. Durch eine Alarmierung von zustandigem Sicherheitspersonal und/oder der Feuerwehr können Maßnahmen zum Sach- und Personenschutz getroffen werden. Somit kann die Gefahr der Ausbreitung eines Brandes wesentlich reduziert werden. Eine effektive und zuverlässige Funktion der automatischen Brandmeldersysteme ist von einer sehr großen Bedeutung bei einem Einsatz in Wohnungen, öffentlichen Einrichtungen, Verkehrsmitteln oder Industrieanlagen. Dies gilt insbesondere für schwer zu evaku- ierende Gebäude, wie zum Beispiel für Gebäude mit hohenAutomatic fire detectors can detect fire or its formation based on the physical characteristics of the fire and subsequently trigger an alarm. This can be used to initialize firefighting measures and warnings to people inside a building. By alerting competent security personnel and / or the fire brigade, measures can be taken to protect property and personal safety. Thus, the risk of the spread of a fire can be significantly reduced. An effective and reliable operation of the automatic fire detection systems is of great importance for use in homes, public facilities, transportation or industrial facilities. This is especially true for buildings that are difficult to evacuate, such as buildings with high ceilings
Gefahrenpotenzialen wie Hotels, Einfamilienhausern mit vielen Kindern, Seniorenheimen usw..Hazard potentials such as hotels, single-family homes with many children, nursing homes, etc.
Bekannte Brandmelder werden durch die benutzen Detektor- oder Sensorprinzipien und deren Wirkungsweise charakterisiert. Es werden zum Beispiel Brandgas- oder Rauchgasmelder, Wärmemelder, Rauchmelder, Flammenmelder und sogenannten Multikrite- rienmelder zur Branderkennung eingesetzt.Known fire detectors are characterized by the detector or sensor principles used and their mode of action. For example, fire gas or flue gas detectors, heat detectors, smoke detectors, flame detectors and so-called multicriteria detectors are used for fire detection.
Ein Brandgas- oder Rauchgasmelder lost einen Alarm aus, wenn die Konzentration von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid oder anderen Verbrennungsgasen in einem Raum einen bestimmten Wert überschreitet. Brandgas- oder Rauchgasmelder verwenden typischerweise einen Gassensor.A fire gas or flue gas alarm triggers an alarm when the concentration of carbon monoxide, carbon dioxide or other combustion gases in a room reaches a certain level Value exceeds. Fire gas or smoke detectors typically use a gas sensor.
Ein Wärmemelder lost einen Alarm aus, wenn die Raumtemperatur einen bestimmten Wert wie zum Beispiel etwa 60 °C überschreitet oder innerhalb einer bestimmten Zeit die Umgebungstemperatur überdurchschnittlich schnell ansteigt.A heat detector triggers an alarm when the room temperature exceeds a certain value, such as about 60 ° C, or within a certain time the ambient temperature rises above average.
Rauchmelder verwenden verschiedene physikalische Effekte zu einer Erkennung von Brandrauch. In optischen Streulichtdetektoren wird zum Beispiel eine Lichtstreuung an Rauchpartikeln zu einer Brandrauchdetektion verwendet.Smoke detectors use various physical effects to detect smoke. In optical scattered light detectors, for example, light scattering of smoke particles is used for fire smoke detection.
Ein Flammenmelder nutzt charakteristische Emissionen einer Flamme in einem bestimmten Spektrum (Infrarot bis Ultraviolett) zur Detektion einer Flamme.A flame detector uses characteristic emissions of a flame in a specific spectrum (infrared to ultraviolet) to detect a flame.
Ein sogenannter Multikriterien-Melder vereint in einem Gerat z.B. einen optischen Rauchmelder und einen Wärmemelder. Durch eine Auswertung von mehreren Ausgangssignalen können Multikriterien-Melder weniger empfindlicher gegenüber Falschalarmen gemacht werden .A so-called multi-criteria detector combines in a device e.g. an optical smoke detector and a heat detector. By evaluating several output signals, multi-criteria detectors can be made less sensitive to false alarms.
Jedoch sind die oben genannten Melder nur zu einer einfachen klassischen Detektion der Brande oder deren Entstehung geeignet. Sie können keine weiteren Informationen bezuglich des Brandes oder der Entstehung des Brandes liefern.However, the above-mentioned detectors are only suitable for a simple classic detection of the fire or its emergence. You can not provide any further information regarding the fire or the development of the fire.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gefahrmelder und ein Verfahren zum Erkennen einer Gefahrsituation unterThe invention is based on the object, a hazard detector and a method for detecting a dangerous situation under
Verwendung dieses Gefahrmelders anzugeben, welche eine erhöhte Aussagekraft für eine Gefahrmeldung ermöglichen.To specify use of this hazard alarm, which allow increased significance for a danger message.
Diese Aufgabe wird gelost durch die Gegenstande der unabhan- gigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhangigen Ansprüchen beschrieben . Mit dem unabhängigen Patentanspruch 1 wird ein Gefahrmelder mit einer gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung, einer optischen Rauchdetektionseinrichtung und einer Auswerteein- heit zur Auswertung eines ersten Ausgangssignals der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung und eines zweiten Ausgangssignals der optischen Rauchdetektionseinrichtung beschrieben .This object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments of the present invention are described in the dependent claims. Independent claim 1 describes a danger detector with a gas-sensitive semiconductor sensor device, an optical smoke detection device and an evaluation unit for evaluating a first output signal of the gas-sensitive semiconductor sensor device and a second output signal of the optical smoke detection device.
Dem genannten Gefahrmelder liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Funktionsfahigkeit eines klassischen Brandmelders erweitert werden kann, indem zwei unterschiedliche sensorische Prinzipien vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Grundsatzlich ist es möglich, die für einen klassischen Brandmelder benutzten sensorischen Prinzipien auf verschiedene Art und Weise zu kombinieren. Eine optimierte Auswahl dieser Prinzipien kann von einer erheblichen Bedeutung in Bezug auf eine effektive und zuverlässige Funktion eines derartigen Gefahrmelders sein. Kriterien und Randbedingungen, wie zum Beispiel eine niedrige Leistungsaufnahme, ausreichende Sensitivitat und Querempfindlichkeit, eine Unterscheidbar- keit einer Mehrzahl von verschiedenen Signalen und wirtschaftliche Aspekte können bei der Auswahl der zu kombinierenden sensorischen Prinzipien berücksichtigt werden.The above-mentioned danger detector is based on the knowledge that the functionality of a classic fire alarm can be extended by combining two different sensory principles in an advantageous manner. In principle, it is possible to combine the sensory principles used for a classic fire alarm in a variety of ways. An optimized choice of these principles may be of considerable importance in terms of effective and reliable operation of such a hazard detector. Criteria and constraints, such as low power consumption, sufficient sensitivity and cross-sensitivity, distinctness of a plurality of different signals, and economics, may be considered in the selection of the sensory principles to be combined.
Bei dem genannten Gefahrmelder wird vorteilhaft ein Erkennungssystem eines optischen Rauchmelders (Rauchdetektionseinrichtung) mit einem Erkennungssystem eines gassensitiven Halbleitersensors (gassensitive Halbleitersensoreinrichtung) kombiniert. Eine Auswerteeinheit kann sowohl ein Ausgangssignal des optischen Rauchmelders als auch ein Ausgangssignal des gassensitiven Halbleitergassensors auswerten. Jedoch wird die Auswerteeinheit bevorzugt eine Auswertung durchfuhren, die auf beiden Ausgangssignalen basiert.In the above-mentioned danger detector, a detection system of an optical smoke detector (smoke detection device) is advantageously combined with a detection system of a gas-sensitive semiconductor sensor (gas-sensitive semiconductor sensor device). An evaluation unit can evaluate both an output signal of the optical smoke detector and an output signal of the gas-sensitive semiconductor gas sensor. However, the evaluation unit will preferably carry out an evaluation based on both output signals.
Die Auswerteeinheit kann zum Beispiel einen Analog-Digital- Umsetzer zum Umsetzen und einen Multiplexer zum Kombinieren der beiden Ausgangssignale ausweisen. Ferner kann die Auswerteeinheit einen Prozessor ausweisen, der geeignet ist die beiden Ausgangssignale einzeln oder in einer Kombination mittels einer entsprechenden Software auszuwerten. Die Aus- werteeinheit kann entweder zusammen mit der gassensitivenThe evaluation unit may, for example, an analog-to-digital converter for converting and a multiplexer for combining identify the two output signals. Furthermore, the evaluation unit can identify a processor which is suitable for evaluating the two output signals individually or in a combination by means of a corresponding software. The evaluation unit can either be used together with the gas-sensitive
Halbleitersensoreinrichtung und der optischen Rauchdetektion- seinrichtung auf einem Chip monolithisch integriert oder hybrid aufgebaut werden.Semiconductor sensor device and the optical Rauchdetektion- be on a chip monolithically integrated or built hybrid.
Somit wird es möglich, neben der klassischen Detektion von Branden auch Aussagen über andere Gefahrenlagen wie ein Vorhandensein oder einen Einsatz von gefahrlichen Stoffen zu machen. Beispiele für gefahrliche Stoffe sind gefahrliche Gase und/oder Flüssigkeiten, insbesondere brandgefahrliche, brandfordernde Stoffe, brandbeschleunigende Stoffe, explosive Gasgemische und/oder explosive Staube.This makes it possible, in addition to the classic detection of Branden, to make statements about other dangerous situations such as the presence or use of hazardous substances. Examples of hazardous substances are hazardous gases and / or liquids, in particular fire-hazardous, fire-fighting substances, fire-accelerating substances, explosive gas mixtures and / or explosive dust.
Brandgefahrliche Stoffe können Stoffe sein, die besonders geeignet sind, eine Brandgefahr herbeizufuhren. Es können zum Beispiel leicht brennbare, leicht entzündbare, leicht entflammbare und selbstentzundliche Stoffe sein. Unter brandbeschleunigenden Stoffen können brennbare chemische Stoffe verstanden werden, die dazu verwendet werden, die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Feuers zu erhohen. Beispiele für brandbeschleunigende Stoffe sind Flüssigkeiten wie Ethanol (Spiritus), Benzin oder ahnliche, die über abzubrennende Gegenstande vergossen werden können.Fire-hazardous substances can be substances that are particularly suitable for causing a fire hazard. For example, they may be flammable, highly flammable, highly flammable and self-ignitable substances. Fire-accelerating substances can be understood to mean flammable chemical substances used to increase the rate of fire propagation. Examples of accelerating substances are liquids such as ethanol, gasoline or the like, which can be poured over objects to be burned.
Stoffe, die eine Verbrennung unterstutzen aber selbst nicht brennbar sind, können als brandfordernde Stoffe bezeichnet werden. Beispiele für brandfordernde Stoffe sind Sauerstoff, Sauerstoffreiche Salze wie beispielsweise Kaliumchlorat , Peroxide und Fluor.Substances that support combustion but are not flammable can be considered as fire-fighting substances. Examples of fire-fighting substances are oxygen, oxygen-rich salts such as potassium chlorate, peroxides and fluorine.
Wird zum Beispiel ein Vorhandensein von gefahrlichen Stoffen in einem Raum frühzeitig mittels des Gefahrmelders detek- tiert, dann kann der gefahrliche Stoff beseitigt werden. Auch kann rechtzeitig vor einem Auftreten explosionsfahiger Gasgemische gewarnt werden. Ist zum Beispiel bei einer Brandstiftung keine rechtzeitige Warnung mehr möglich, so kann zusatzlich eine Möglichkeit geschaffen werden, den möglicherweise genutzten brandfordernden Stoff zu erkennen sowie Uberwa- chungseinrichtungen zu initialisieren. Somit kann zum Beispiel mittels Aufzeichnungen von Uberwachungskameras eine Strafverfolgung vereinfacht werden.If, for example, the presence of hazardous substances in a room is detected early by means of the danger detector, then the dangerous substance can be eliminated. Also can be warned in time before the occurrence of explosive gas mixtures. If, for example, a timely warning is no longer possible in the case of an arson, it is also possible to create a possibility of recognizing the potentially used fire-fighting substance and of initializing monitoring devices. Thus, for example, records of surveillance cameras can facilitate law enforcement.
Ferner können mit einem derartigen Gefahrmelder gegebenenfalls auch Aussagen über Brandursachen wie zum Beispiel Brandstiftung, Austritt von brandfordernden Substanzen, Anlagendefekte gemacht werden.Furthermore, statements about causes of fire such as, for example, arson, leakage of fire-fighting substances, plant defects can also be made with such a danger detector.
Durch die Kombination der Erkennungssysteme des optischen Rauchmelders und des gassensitiven Halbleitersensors wird auch eine Detektion von explosiven Stauben und/oder deren Brandprodukte möglich. Mit einem optischen Rauchmelder können grundsatzlich auch Staube erkannt werden. Sind diese aber in ihrer Beschaffenheit oder Konzentration nur derart vorhanden, dass sie nicht als brandtypischer Rauch zu erkennen sind, dann wird in der Regel kein Alarm ausgelost. Kommt es nachfolgend zu einer Entzündung des Staubes, so kann der Brand mittels des gassensitiven Halbleitersensors und/oder des optischen Rauchmelders erkannt werden. Über eine Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Ausgangssignale wird dann die Erkennung des Staubes als Brandursache möglich.The combination of the detection systems of the optical smoke detector and the gas-sensitive semiconductor sensor also makes it possible to detect explosive dust and / or its fire products. In principle, dust can also be detected with an optical smoke detector. But if these are only so present in their nature or concentration that they can not be recognized as a typical fire smoke, then usually no alarm is triggered. If there is subsequently an ignition of the dust, the fire can be detected by means of the gas-sensitive semiconductor sensor and / or the optical smoke detector. An evaluation of the time course of the output signals then makes it possible to detect the dust as the cause of the fire.
Die Auswerteeinheit kann die Ausgangssignale des gassensiti- ven Halbleitersensors und des optischen Rauchmelders vergleichen und/oder superponieren und/oder den zeitlichen Verlauf der Ausgangssignale zueinander in Beziehung setzen, um die Brandursache einschätzen zu können. Dabei kann eine kombinierte Auswertung der Ausgangssignale sowohl vor einem Brand auch als wahrend eines Brandes durchgeführt werden. Somit kann zum Beispiel eine weitere Brandursache oder eine zusatzliche latente Brandgefahr erkannt werden. Informationen über mögliche Brandursachen zusammen mit Informationen über Gefahrenlagen sind vor dem Hintergrund einer geeigneten Wahl von Loschmitteln, einer Klarung von Sachver- Sicherungsfragen, einer Ursachenermittlung wie beispielsweise Brandstiftung, Austritt von brandfordernden Substanzen, Anlagendefekte, einer Strafverfolgung eines Brandstifters sowie einer Warnung und Evakuierung von Personen sehr wünschenswert .The evaluation unit can compare and / or superimpose the output signals of the gas-sensitive semiconductor sensor and the optical smoke detector and / or relate the time profile of the output signals to one another in order to be able to estimate the cause of the fire. In this case, a combined evaluation of the output signals both before a fire as well as during a fire can be performed. Thus, for example, another cause of fire or an additional latent fire hazard can be detected. Information on possible causes of fire, together with information on dangerous situations, should be used against the background of a suitable choice of extinguishing agents, clarification of property protection issues, identification of causes such as arson, discharge of fire-fighting substances, plant defects, prosecution of an arsonist and warning and evacuation of persons very desirable.
Mit dem genannten Gefahrmelder wird es möglich eine umfassende Erweiterung des Sicherheitskonzepts in Wohnräumen, öffentlichen Gebauen, Verkehrsmitteln oder Industrieanlagen zu realisieren. Unter anderem kann es möglich werden Erdgas zu detektieren, das mit der Luft ein explosives Gasgemisch bilden kann und ein brandfordernder Stoff ist. Auch wird es möglich giftige Gase wie zum Beispiel Kohlenmonoxid (CO) , welches möglicherweise durch defekte Verbrennungsanlagen freigesetzt wird, zu detektieren.With the mentioned danger detector it becomes possible to realize a comprehensive extension of the safety concept in living rooms, public buildings, means of transport or industrial plants. Among other things, it may be possible to detect natural gas, which can form an explosive gas mixture with the air and is a fire-demanding substance. Also, it becomes possible to detect toxic gases such as carbon monoxide (CO), which may be released by defective incinerators.
Somit kann ein einziges Gerat - der Gefahrmelder - verschiedene Arten von Alarmen, wie zum Beispiel einen Alarm „Brand", einen Alarm „brandfordernder Stoff", einen Alarm „CO", einen Alarm „Staub" auslosen. Ferner können relevante Informationen bezuglich einer Ermittlung der Brandursache und eine Loschmittelempfehlung ermittelt werden. Auch können Kontroll- und Steuerungs-Mechanismen von zum Bespiel Uberwachungskameras und/oder Notausgangen aktiviert werden.Thus, a single device - the hazard detector - can trigger various types of alarms, such as a "fire" alarm, a "fire-demanding" alarm, a "CO" alarm, a "dust" alarm. Furthermore, relevant information regarding a determination of the cause of the fire and a recommendation for extinguishing agent can be determined. Also, control and control mechanisms of, for example, surveillance cameras and / or emergency exits can be activated.
Gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung einen Metalloxidhalbleiter-Gassensor auf.According to an exemplary embodiment of the invention, the gas-sensitive semiconductor sensor device has a metal oxide semiconductor gas sensor.
Die Verwendung von Metalloxidhalbleiter-Gassensoren für Gefahrmelder kann vorteilhaft sein, da diese preiswert sind, eine hohe Empfindlichkeit, eine einfache elektronische Be- schaltung und eine Lebensdauer bis zu mehreren Jahren aufwei- sen. Em Metalloxidhalbleiter-Gassensor verändert seine elektrische Leitfähigkeit beziehungsweise seinen Widerstand, sobald bestimmte Gase auf ihn wirken. Typische Gase, welche mit Metalloxidhalbleiter-Gassensoren detektiert werden kon- nen, sind zum Beispiel Propan, Butan, Methan, Erdgas, Kohlen- monoxid, Schwefeldioxid, Stickstoffmonoxid und/oder Stickstoffdioxid. Metalloxidhalbleiter-Gassensoren können auch zum Nachweis von Ammoniak, Alkohol usw. eingesetzt werden. Der Metalloxidhalbleiter-Gassensor kann eine gassensitive Metall- oxid-Halbleitermateπal-Schicht wie zum Beispiel ZinndioxidThe use of metal oxide semiconductor gas sensors for hazard detectors may be advantageous as they are inexpensive, have high sensitivity, simple electronic circuitry, and a lifetime of up to several years. sen. A metal oxide semiconductor gas sensor changes its electrical conductivity or resistance as soon as certain gases act on it. Typical gases that can be detected with metal-oxide-semiconductor gas sensors are, for example, propane, butane, methane, natural gas, carbon monoxide, sulfur dioxide, nitrogen monoxide and / or nitrogen dioxide. Metal oxide semiconductor gas sensors can also be used to detect ammonia, alcohol, etc. The metal oxide semiconductor gas sensor may be a gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer such as tin dioxide
(SnO2) , Zmkoxid (ZnO) , Titandioxid (TiO2) , Wolframoxid (WO3) , Vanadiumpentoxid (V2Os) , Galliumoxid (Ga2O3) oder Chromtitanoxid (Cr2_xTix03+z) aufweisen. Um eine Selektivität auf bestimmte Gase zu erreichen können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden. Zu einem Nachwies von Kohlenmonoxid und/oder Stickstoffmonoxid und/oder Methan kann Zinndioxid, zu einem Nachweis von Stickstoffdioxid kann Wolframoxid und zu einem Nachweis von Ammoniak kann Cr2_xTix03+z eingesetzt werden. Dabei konnte es untere Nachweisgrenzen geben, die zum Beispiel bei Kohlenmonoxid bei ungefähr 5 ppm, bei Stickstoffmonoxid bei ungefähr 20 ppm, Stickstoffdioxid bei ungefähr 10 ppb, bei Methan bei ungefähr 200 ppm und bei Ammoniak bei ungefähr 5 ppm liegen konnten.(SnO 2 ), Zmkoxid (ZnO), titanium dioxide (TiO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ), vanadium pentoxide (V 2 Os), gallium oxide (Ga 2 O 3 ) or chromium titanium oxide (Cr 2 _ x Ti x 0 3 + z ) exhibit. Different materials can be used to achieve selectivity to specific gases. For a proof of carbon monoxide and / or nitrogen monoxide and / or methane tin dioxide can be used, for a proof of nitrogen dioxide can tungsten oxide and for a proof of ammonia Cr 2 _ x Ti x 0 3 + z . There may be lower limits of detection, for example, about 5 ppm for carbon monoxide, about 20 ppm for nitrogen monoxide, about 10 ppb for nitrogen dioxide, about 200 ppm for methane, and about 5 ppm for ammonia.
Die die elektrische Leitfähigkeit bestimmende Akzeptordichte an der Oberflache des Metalloxids wird durch eine Gasreaktion mit dem zu detektierenden Gas beeinflusst . Somit kann die Leitfähigkeit beziehungsweise der Widerstand des Metalloxid- halbleiter-Gassensors verändert werden. Im Betrieb konnte ein Ablauf dieser Gasreaktion mit einer Beheizung des Metalloxid- halbleiter-Gassensors ausgelost und/oder beschleunigt und die Selektivität gefordert werden. Abhangig von den verwendeten Materialien und den zu detektierenden Gasen können Temperaturen zwischen 1500C und 9000C, beispielsweise 150°C, 3000C, 500°C, 700°C oder sogar 9000C, verwendet werden. Je nachThe acceptor density at the surface of the metal oxide which determines the electrical conductivity is influenced by a gas reaction with the gas to be detected. Thus, the conductivity or the resistance of the metal oxide semiconductor gas sensor can be changed. During operation, a sequence of this gas reaction could be triggered and / or accelerated by heating the metal oxide semiconductor gas sensor and the selectivity required. Depending on the materials used and the gases to be detected, temperatures between 150 0 C and 900 0 C, for example 150 ° C, 300 0 C, 500 ° C, 700 ° C or even 900 0 C are used. Depending on
Beschaffenheit der Gase reagieren diese mit der Metalloxidoberflache unterschiedlich stark. Die Intensität der Wechsel- Wirkung ist zudem von der gewählten Temperatur des Metalloxids abhangig. Z.B. nimmt die Sensitivitat eines Ga2Os- Metalloxidsensors auf Kohlenmonoxid (CO) zu höheren Betriebstemperaturen hin ab. D.h. die relative Leitfahigkeitsanderung verringert sich mit zunehmender Temperatur. Bei Methan (CH4) z. B. bleibt die Sensitivitat des Ga203-Metalloxidsensors im wesentlichen mit zunehmender Temperatur erhalten. Durch Verwendung eines Betriebsverfahrens, welches den Metalloxidhalbleiter-Gassensor z.B. zyklisch bei unterschiedlichen Temperaturen betreibt, können unter Verwendung geeigneter Auswerteverfahren, auf diese Weise Gase voneinander unterschieden werden. Zudem können bei Metalloxidhalbleitergas- Sensoren, die entsprechend schnell aufgeheizt und wieder abgekühlt werden können, da sie eine geringe thermische Masse haben, zeitliche Aspekte der Gasreaktion mit in die Auswertung einbezogen werden. Hier liegt die Eigenschaft der Gase zugrunde, unterschiedliche Ad- bzw. Desorbtionszeiten aufweisen zu können; d.h. die Verweildauer der Gase an der Halbleiteroberflache kann von der Gasart abhangig sein. Diese Unter- schiede können sich in der zeitlichen Form des Sensorsignals wiederfinden und können somit in die Auswertung mit einbezogen werden. Eine geringere Arbeitstemperatur kann hingegen zusatzlich für einen geringen Leistungsverbrauch sorgen. Dabei kann der Metalloxidhalbleiter-Gassensor je nach Ausfuh- rungsform eine Aufheiz- und Abkuhlzeit von weniger als 100 ms aufweisen. Die oben genannte Gasreaktion ist im Idealfall vollständig reversibel und in Kombination mit einem Temperaturwechselverfahren ermöglicht dies einen Nachweis und Unterscheidung einer Vielzahl von Gasen.The nature of the gases reacts differently with the metal oxide surface. The intensity of the Effect is also dependent on the selected temperature of the metal oxide. For example, the sensitivity of a Ga 2 O metal oxide sensor to carbon monoxide (CO) decreases to higher operating temperatures. That is, the relative conductivity change decreases with increasing temperature. For methane (CH 4 ) z. B. remains the sensitivity of Ga 2 0 3 obtained -Metalloxidsensors substantially with increasing temperature. By using a method of operation which operates the metal oxide semiconductor gas sensor, for example cyclically at different temperatures, gases can be distinguished from one another using suitable evaluation methods in this way. In addition, with metal oxide semiconductor gas sensors, which can be heated and cooled down again correspondingly, since they have a low thermal mass, temporal aspects of the gas reaction can be included in the evaluation. Here, the property of the gases is based on being able to have different adsorption and desorption times; ie the residence time of the gases on the semiconductor surface may depend on the type of gas. These differences can be found in the temporal form of the sensor signal and can thus be included in the evaluation. A lower working temperature, on the other hand, can additionally provide for low power consumption. Depending on the embodiment, the metal oxide semiconductor gas sensor may have a heating and cooling time of less than 100 ms. Ideally, the above-mentioned gas reaction is completely reversible and, in combination with a thermal cycling process, enables detection and discrimination of a variety of gases.
Mittels der Metalloxidhalbleiter-Gassensoren können besonders gut intelligente Ansteuer- und Auswerteverfahren zum Einsatz kommen, die dazu geeignet sein können, Brandsituationen sicher zu detektieren. Mittels der oben genannten intelligen- ten Ansteuer- und Auswerteverfahren können Brandtypen und relevante Gase voneinander unterschieden sowie unterschiedliche Gefahrsituationen erkannt werden. Gemaß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung eine Anordnung mehrerer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren auf.By means of the metal oxide semiconductor gas sensors, intelligent control and evaluation methods can be used which can be suitable for reliably detecting fire situations. By means of the above-mentioned intelligent control and evaluation methods, fire types and relevant gases can be distinguished from each other and different danger situations can be identified. According to a further exemplary embodiment of the invention, the gas-sensitive semiconductor sensor device has an arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors.
Mit der Anordnung von Metalloxidhalbleiter-Gassensoren kann die Zahl der zu detektierenden Gasen erheblich erhöht werden. Somit kann ein Brand und/oder eine Brandgefahr früher erkannt werden. Auch kann somit eine Brandursache effektiver und vollständiger ermittelt werden. Jeder einzelne Metalloxidhalbleiter-Gassensor der Anordnung mehrerer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren kann unterschiedlich auf ein bestimmtes Ereignis reagieren. Es resultiert somit zu jedem Zeitpunkt ein Signalmuster, welches sich aus den Einzelausgangssignalen zusammensetzt. Diese Signalmuster und/oder entsprechendeWith the arrangement of metal oxide semiconductor gas sensors, the number of gases to be detected can be considerably increased. Thus, a fire and / or a fire hazard can be detected earlier. Also, thus a cause of fire can be determined more effectively and completely. Each individual metal oxide semiconductor gas sensor of the array of multiple metal oxide semiconductor gas sensors can react differently to a particular event. This results at any time in a signal pattern, which is composed of the individual output signals. These signal patterns and / or corresponding
Signaturen können nachfolgend mit in einer Ereignisbibliothek gespeicherten Eintragen verglichen und den Eintragen ggf. zugeordnet werden. Dabei erhöht jeder zusatzliche Einzel- Metalloxidhalbleiter-Gassensor die Detektionssicherheit eines Ereignisses. Durch die Vielzahl der aus einer Anordnung vonSignatures can subsequently be compared with entries stored in an event library and assigned to the entries, if necessary. Each additional single metal oxide semiconductor gas sensor increases the detection reliability of an event. By the multiplicity of from an arrangement of
Metalloxidhalbleiter-Gassensoren stammenden Informationen ist eine vollige Selektivität der Einzelsensoren auf einzelne Gase nicht notwendig.Information derived from metal oxide semiconductor gas sensors does not require complete selectivity of the individual sensors to individual gases.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist der Metalloxidhalbleiter-Gassensor oder die Anordnung mehrerer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren ein Tragerelement mit einer Dicke von weniger als 100 μm, bevorzugt weniger als 50 μm und insbesondere weniger als 1 μm auf.According to a further exemplary embodiment of the invention, the metal oxide semiconductor gas sensor or the arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors has a carrier element with a thickness of less than 100 μm, preferably less than 50 μm and in particular less than 1 μm.
Das Tragerelement kann als eine dünne Membran ausgebildet sein. Vorzugweise wird der Metalloxidhalbleiter-Gassensor mit einem derartigen Tragerelement mikromechanisch hergestellt. Ein extrem dunner Querschnitt für eine Festkorperwarmeleitung kann zu einer sehr guten thermischen Isolation der Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht von restlichen Teilen des Metalloxidhalbleiter-Gassensors fuhren. Daraus kann ein sehr geringer Heizleistungsbedarf resultieren, um eine konstante Temperatur zu halten. So werden beispielsweise bei solchen Metalloxidhalbleiter-Gassensoren nur wenige 10 mW benotigt, um die Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht stabil auf einer Temperatur von 400 °C zu halten. Ferner konnte die gute thermische Isolierung im Zusammenspiel mit einem flachen Aufbau der restlichen Teile des Metalloxidhalbleiter- Gassensors auf dem Tragerelement zu einer extrem geringen Zeitkonstante für das Aufheizen und das Abkühlen von einzel- nen Komponenten des Metalloxidhalbleiter-Gassensors, wie zum Beispiel des Tragerelements und der Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht, fuhren. Das Tragerelement kann zum Beispiel aus Siliziumnitrid Si3N4 hergestellt werden.The support element may be formed as a thin membrane. Preferably, the metal oxide semiconductor gas sensor is micromechanically manufactured with such a support element. An extremely thin cross section for a solid state warming line can result in very good thermal isolation of the metal oxide semiconductor material layer from remaining portions of the metal oxide semiconductor gas sensor. This can be a very low heating power requirements result to maintain a constant temperature. For example, only a few 10 mW are required in such metal oxide semiconductor gas sensors in order to stably maintain the metal oxide semiconductor material layer at a temperature of 400.degree. Further, the good thermal insulation, in conjunction with a flat configuration of the remaining parts of the metal oxide semiconductor gas sensor on the support member, has allowed an extremely small time constant for the heating and cooling of individual components of the metal oxide semiconductor gas sensor, such as the support member and the Metal oxide semiconductor material layer, lead. The carrier element can be made for example of silicon nitride Si 3 N 4th
In dem Fall einer Anordnung von mehreren Metalloxidhalbleiter-Gassensoren kann diese an einem einzelnen Tragerelement aufgebaut werden. Dabei können unterschiedliche gassensitive Metalloxide und/oder ein unterschiedlich behandeltes Metalloxid benutzt werden, wobei die Behandlung des Metalloxids z. B. eine Dotierung oder eine Zugabe eines Katalysators aufweisen kann.In the case of an arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors, it may be constructed on a single support member. In this case, different gas-sensitive metal oxides and / or a differently treated metal oxide can be used, wherein the treatment of the metal oxide z. B. may have a doping or addition of a catalyst.
Beispiele, wie einzelne Metalloxidhalbleiter-Gassensoren temperaturgepulst angesteuert werden und mit einem Musterer- kennungsverfahren ausgewertet werden, um mit einem einzigen mikromechanisch hergestellten Metalloxidhalbleiter-Gassensor Gase voneinander zu unterscheiden sind unter anderen beschrieben in:Examples of how individual metal oxide semiconductor gas sensors are controlled in a temperature-pulsed manner and evaluated by a pattern recognition method in order to distinguish gases from one another by means of a single micromechanically produced metal-oxide semiconductor gas sensor are described, inter alia, in:
A. Schütze, A. Gramm, T. Ruhl : Identification of OrganicA. Schütze, A. Gram, T. Ruhl: Identification of Organic
Solvente by a Virtual Multisensor System with Hierarchical Classification, In: IEEE Sensors J, vol. 4, pp . 857-863, December 2004.Solvents by a Virtual Multisensor System with Hierarchical Classification, In: IEEE Sensors J, vol. 4, pp. 857-863, December 2004.
T. Kunt et al : Optimization of temperature programmed sensing for gas identification using micro-hotplate sensors, Sen- sors&Actuators B53 (1998), 24-43. R. E. Cavicchi, J. S. Suehle, K. G. Kreider, M. Gaitan and P. Chaparala : Fast Temperature Programmed Sensing for Micro- Hotplate Gas Sensors, IEEE Electron Device Letters, 16, (1995), 286-288.T. Kunt et al: Optimization of temperature-controlled sensing for gas identification using micro-hotplate sensors, Sensors & Actuators B53 (1998), 24-43. RE Cavicchi, JS Suehle, KG Kreider, M. Gaitan and P. Chaparala: Fast Temperature Programmed Sensing for Micro-Hotplate Gas Sensors, IEEE Electron Device Letters, 16, (1995), 286-288.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung einen gassensitiven Feldeffekttransistor auf.According to a further exemplary embodiment of the invention, the gas-sensitive semiconductor sensor device has a gas-sensitive field-effect transistor.
Ein Einsatz der gassensitiven Feldeffekttransistoren kann vorteilhaft sein, da diese (a) sehr kleine Abmessungen haben können (zum Beispiel ungefähr 2 mm2), (b) sowohl im beheizten Zustand als auch bei Raumtemperaturen messen können, (c) eine lange Lebensdauer haben und (d) einen minimalen Leistungsverbrauch haben. Die gassensitiven Feldeffekttransistoren für eine Messung von Leckagen und zu einer Explosionswarnung können damit besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Weiterhin zeichnen sich die gassensitiven Feldeffekttransistoren durch eine einfache Signalauslesung aus. Die gassensitiven Feldeffekttransistoren sind ferner kostengünstig und können für eine Produktion für Gassensoren verschiedener Art in hohen Zahlen verwendet werden.The use of the gas-sensitive field-effect transistors may be advantageous since they (a) may have very small dimensions (for example approximately 2 mm 2 ), (b) can measure both in the heated state and at room temperatures, (c) have a long service life and (d) have a minimum power consumption. The gas-sensitive field effect transistors for a measurement of leaks and an explosion warning can thus be used particularly advantageously. Furthermore, the gas-sensitive field effect transistors are characterized by a simple signal readout. The gas sensitive field effect transistors are also inexpensive and can be used in high numbers for production of gas sensors of various types.
Ein gassensitiver Feldeffekttransistor kann als modifizierter CMOS-FET aufgebaut werden. Eine Gasdetektion kann auf einer Änderung der Austrittsarbeit an einem Gatter basieren. Zwischen dem Gatter und einem Transistor-Kanal wird ein kleiner Luftspalt aufgebaut, der gegenüber einem Gasraum offen ist. Somit kann ein Gas durch die Änderung der Austrittsarbeit am Gatter nachgewiesen werden, das mit einer gassensitiven Gatterschicht ausgestattet ist.A gas sensitive field effect transistor can be constructed as a modified CMOS FET. Gas detection may be based on a change in workfunction at a gate. Between the gate and a transistor channel, a small air gap is established, which is open to a gas space. Thus, a gas can be detected by the change in the work function on the gate, which is equipped with a gas-sensitive gate layer.
Das mit gassensitiven Schichten versehene Gatter kann in mikromechanischer Weise in einem ganzen Wafer aufgebaut werden. Ein Messbereich kann zum Beispiel bei ungefähr 100 ppm beginnen. Der geringe Leistungsverbrauch ermöglicht es die gassensitiven Feldeffekttransistoren auch mit Metalloxidhalbleiter-Gassensoren zu kombinieren.The gate provided with gas-sensitive layers can be constructed in a micromechanical manner in a whole wafer. For example, a measurement range may begin at approximately 100 ppm. The low power consumption makes it possible to combine the gas sensitive field effect transistors with metal oxide semiconductor gas sensors.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung eine Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren auf.According to a further exemplary embodiment of the invention, the gas-sensitive semiconductor sensor device has an arrangement of a plurality of gas-sensitive field-effect transistors.
Ein wichtiger Vorteil der gassensitiven Feldeffekttransistoren ist, dass sie mittels einer hybriden Bauweise aufgebaut werden können, wobei eine gemeinsame Grundeinheit durch unterschiedliche Gatterbeschichtungen für verschiedene Gase verwendbar ist. Somit können ganze Anordnungen von gassensitiven Feldeffekttransistoren kostengünstig und auf kleinstem Raum realisiert werden und somit eine Mehrzahl von unter- schiedlichen Gassensoren bilden. Jeder einzelne Gassensor der Anordnung von gassensitiven Feldeffekttransistoren kann unterschiedlich auf ein bestimmtes Ereignis reagieren. Es resultiert somit zu jedem Zeitpunkt ein Signalmuster, welches sich aus den Einzelausgangssignalen zusammensetzt. Diese Signalmuster und/oder entsprechende Signaturen können nachfolgend mit Eintragen einer gespeicherten Ereignisbibliothek verglichen und diesen Eintragen ggf. zugeordnet werden. Dabei erhöht jeder zusatzliche Einzelsensor die Detektionssi- cherheit eines Ereignisses. Durch die Vielzahl der aus einer Anordnung von gassensitiven Feldeffekttransistoren stammenden Informationen ist eine vollige Selektivität der Einzelsensoren auf einzelne Gase nicht notwendig. Mit der Anordnung von gassensitiven Feldeffekttransistoren kann somit die Zahl der zu detektierenden Gasen erheblich erhöht werden. Somit kann ein Brand und/oder eine Brandgefahr früher erkannt werden.An important advantage of the gas-sensitive field-effect transistors is that they can be constructed by means of a hybrid construction, wherein a common base unit can be used by different gate coatings for different gases. Thus, entire arrangements of gas-sensitive field-effect transistors can be realized inexpensively and in the smallest space and thus form a plurality of different gas sensors. Each individual gas sensor of the arrangement of gas-sensitive field-effect transistors can react differently to a specific event. This results at any time in a signal pattern, which is composed of the individual output signals. These signal patterns and / or corresponding signatures can subsequently be compared with the entry of a stored event library and assigned to this entry if necessary. Each additional individual sensor increases the detection reliability of an event. Due to the large number of information originating from an arrangement of gas-sensitive field-effect transistors, a complete selectivity of the individual sensors to individual gases is not necessary. With the arrangement of gas-sensitive field effect transistors, the number of gases to be detected can thus be increased considerably. Thus, a fire and / or a fire hazard can be detected earlier.
Auch kann somit eine Brandursache effektiver und vollständiger ermittelt werden. Da die einzelnen gassensitiven Feldeffekttransistoren einen geringen Leistungsverbrauch haben, kann auch der gesamte Leistungsverbrauch der Anordnung gering gehalten werden. Ahnlich wie die Metalloxidhalbleiter- Gassensoren können auch die Feldeffekttransistoren und Anordnungen von Feldeffekttransistoren besonders gut geeignet sein intelligente Ansteuer- und Auswerteverfahren auszunutzen, die Brandsituationen sicher zu detektieren, Brandtypen und relevante Gase voneinander zu unterscheiden sowie unterschiedliche Gefahrsituationen erkennen zu können.Also, thus a cause of fire can be determined more effectively and completely. Since the individual gas-sensitive field-effect transistors have a low power consumption, the total power consumption of the arrangement can also be kept low. Similar to the metal oxide semiconductor gas sensors, the field effect transistors and arrangements of field effect transistors may also be particularly well suited to exploit intelligent control and evaluation methods, to reliably detect fire situations, to distinguish fire types and relevant gases from each other, and to be able to identify different hazardous situations.
Ein Beispiel für eine Analyse von Gasmischungen, deren Prinzip leicht auf die hier angesprochenen Anordnungen von Feldeffekttransistoren übertragbar ist, wird beschrieben in:An example of an analysis of gas mixtures, the principle of which is easily transferable to the arrangements of field-effect transistors mentioned here, is described in:
U. Hoefer, A Felske, G. Sulz und K. Steiner: SnO2-U. Hoefer, A Felske, G. Sulz and K. Steiner: SnO 2 -
Multisensorsysteme für die Analyse von Gas- und Geruchsstoffgemischen, Tagungsband GMA-Tagung „Prozeßautomation in der Lebensmittelindustrie", 1.-2. Februar 1996.Multi-Sensor Systems for the Analysis of Gas and Odor Mixtures, Proceedings GMA Conference "Process Automation in the Food Industry", 1-2 February 1996.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung eingerichtet zur Detektion eines Gefahrstoffs .According to a further exemplary embodiment of the invention, the gas-sensitive semiconductor sensor device is set up for the detection of a hazardous substance.
Die Detektion der Gefahrstoffe kann sehr wichtig in Hinblick auf eine frühzeitige Erkennung einer Gefahrsituation sein.The detection of hazardous substances can be very important in terms of early detection of a hazardous situation.
Wird ein Vorhandensein von gefahrlichen Stoffen in einem Raum frühzeitig detektiert, kann der gefahrliche Stoff beseitigt werden. Auch kann rechtzeitig vor einem Auftreten explosions- fahiger Gasgemische gewarnt werden. Ist zum Beispiel bei einer Brandstiftung keine rechtzeitige Warnung mehr möglich, so kann zusatzlich eine Möglichkeit geschaffen werden den möglicherweise eingesetzten brandfordernden Stoff zu erkennen und nachfolgend Uberwachungseinrichtungen zu initialisieren.If the presence of hazardous substances in a room is detected early, the hazardous substance can be eliminated. It is also possible to warn in good time about the occurrence of potentially explosive gas mixtures. If, for example, a timely warning is no longer possible in the case of an arson, it is also possible to create a possibility of recognizing the potentially fire-resistant substance used and subsequently initializing monitoring devices.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung ein Heizelement auf .According to a further exemplary embodiment of the invention, the gas-sensitive semiconductor sensor device has a heating element.
In der Regel weist ein Metalloxidhalbleiter-Gassensor ein integriertes Heizelement auf. Es ist jedoch denkbar, dass der Metalloxidhalbleiter-Gassensor auch extern beiheizt werden kann . Die Feldeffekttransistoren werden in der Regel entweder unbeheizt betrieben oder kontinuierlich auf moderate Temperaturen um 100°C beheizt werden. Jedoch kann auch ein Feldef- fekttransistor mit einem Heizelement ausgestattet werden, so dass auch die Feldeffekttransistoren oder Anordnungen von Feldeffekttransistoren mit Hilfe dieses Heizelements bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden können. Dies kann, ahnlich wie bei den Metalloxid-Halbleitergassensoren die Selektivität oder Nachweisempfindlichkeit einzelner Sensoren steigern und somit die Nachweissicherheit eines Ereignisses erhohen.As a rule, a metal oxide semiconductor gas sensor has an integrated heating element. However, it is conceivable that the metal oxide semiconductor gas sensor can also be heated externally. The field effect transistors are usually operated either unheated or continuously heated to moderate temperatures around 100 ° C. However, a field effect transistor can also be equipped with a heating element, so that the field effect transistors or arrangements of field effect transistors can also be operated at different temperatures with the aid of this heating element. This can increase the selectivity or detection sensitivity of individual sensors, as in the case of metal oxide semiconductor gas sensors, and thus increase the detection reliability of an event.
Das Heizelement kann zum Beispiel als ein Platin-Heizer oder aus einer Polysiliziumstruktur aufgebaut werden. Ferner kann die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung auch einen Temperatursensor aufweisen. Ein Ausgangssignal des Temperatursensors kann vorteilhaft verwendet werden, um ein weiteres Messsignal für die Detektion einer Gefahrsituation zur Verfu- gung zu haben.The heating element may be constructed, for example, as a platinum heater or a polysilicon structure. Furthermore, the gas-sensitive semiconductor sensor device can also have a temperature sensor. An output signal of the temperature sensor can advantageously be used to have another measurement signal available for the detection of a dangerous situation.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist der durchschnittliche Leistungsverbrauch der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung im Betrieb weniger als 10 mW, bevorzugt weniger als 5 mW und insbesondere weniger als 1 mW.According to a further exemplary embodiment of the invention, the average power consumption of the gas-sensitive semiconductor sensor device during operation is less than 10 mW, preferably less than 5 mW and in particular less than 1 mW.
Um den Anforderungen an die entsprechenden Normen einer Brandmeldeanlage genügen zu können, weist der beschriebene Gefahrmelder bevorzugt einen Leistungsverbrauch im Bereich von lediglich einigen mW auf. Ein besonders geringer Leistungsverbrauch kann mit den genannten Gefahrmeldern erreicht werden, die auf gassensitiven Halbleitersensoreinrichtungen basieren. Um die geringe Leistungsaufnahme insbesondere bei Metalloxidhalbleiter-Gassensoren basierten Gefahrmeldern zu gewahrleisten, können moderne, effektive Temperaturmodulationstechnologien eingesetzt werden. Daraus kann ein sehr geringer Heizleistungsbedarf resultieren. So werden bei- spielsweise bei solchen Metalloxidhalbleiter-Gassensoren nur wenige 10 mW benotigt, um die Metalloxid-Halbleitermaterial- Schicht stabil auf einer Temperatur von 400 °C zu halten. Ferner konnte die gute thermische Isolierung im Zusammenspiel mit einem flachen Aufbau des Metalloxidhalbleiter-Gassensors auf dem Tragerelement zu einer extrem geringen Zeitkonstante für das Aufheizen und das Abkühlen des Tragerelements, der Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht und des Heizelements fuhren .In order to meet the requirements of the corresponding standards of a fire alarm system, the danger detector described preferably has a power consumption in the range of only a few mW. A particularly low power consumption can be achieved with the mentioned hazard detectors, which are based on gas-sensitive semiconductor sensor devices. In order to ensure the low power consumption, especially with metal oxide semiconductor gas sensors based on hazard detectors, modern, effective temperature modulation technologies can be used. This can result in a very low heating power requirement. Thus, For example, in such metal oxide semiconductor gas sensors only a few 10 mW needed to keep the metal oxide semiconductor material layer stable at a temperature of 400 ° C. Further, the good thermal insulation, in conjunction with a flat configuration of the metal oxide semiconductor gas sensor on the support member, could result in an extremely small time constant for the heating and cooling of the support member, metal oxide semiconductor material layer and heating element.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die optische Rauchdetektionseinrichtung einen Streulichtdetektor und/oder einen linearer Rauchmelder auf.According to a further exemplary embodiment of the invention, the optical smoke detection device has a scattered light detector and / or a linear smoke detector.
Ein Einsatz eines Streulichtdetektors oder eines linearenA use of a scattered light detector or a linear
Rauchmelders ermöglicht eine zuverlässige Detektion von Rauch und/oder Stauben. Die Streulichtdetektoren und linearen Rauchmelder haben einen geringen Leistungsverbrauch. Somit kann der gesamte Leistungsverbrauch des Gefahrmelders gering halten werden und im Bereich von einigen mW bleiben.Smoke detector allows reliable detection of smoke and / or dust. The scattered light detectors and linear smoke detectors have a low power consumption. Thus, the total power consumption of the danger detector can be kept low and remain in the range of a few mW.
Streulichtdetektoren können nach einem Streulichtverfahren arbeiten, das auf den so genanten Tyndall-Effekt basiert. Dabei wird die Erkenntnis benutzt, dass klare Luft praktisch kein Licht reflektiert beziehungsweise streut. Befinden sich aber Rauch- und/oder Staubpartikel in der Luft und somit auch in einer optischen Kammer des Streulichtdetektors, so wird ein Pruf-Lichtstrahl beispielsweise einer Infrarot- Leuchtdiode (LED) an den Rauch- und/oder Staubpartikeln gestreut. Ein Teil des dabei entstehenden Streulichtes kann dann von einem Lichtempfanger wie beispielsweise einer Photodiode detektiert werden.Scattered light detectors can operate according to a scattered light method based on the so-called Tyndall effect. It uses the knowledge that clear air reflects or scatters virtually no light. But are smoke and / or dust particles in the air and thus in an optical chamber of the scattered light detector, a Pruf light beam, for example, an infrared light emitting diode (LED) is scattered on the smoke and / or dust particles. A portion of the resulting scattered light can then be detected by a light receiver such as a photodiode.
Streulichtdetektoren sind gut geeignet zum Beispiel zum frühzeitigen Erkennen von Schwelbranden mit relativ großen und hellen Rauchpartikeln. Somit können Streulichtdetektoren bevorzugt angewendet werden, wenn zum Beispiel bei einem Brandausbruch mit kaltem Rauch zu rechnen ist. Um die Empfindlichkeit des Streulichtdetektors zu erhohen, kann statt einer einfachen LED eine sehr helle Laserdiode benutzt werden .Scattered light detectors are well suited, for example, for the early detection of Schwelbranden with relatively large and bright smoke particles. Thus, scattered light detectors can preferably be applied when, for example, in a Fire breakout with cold smoke is expected. In order to increase the sensitivity of the scattered light detector, instead of a simple LED, a very bright laser diode can be used.
Ein linearer Rauchmelder reagiert auf eine durch Rauch erzeugte Abschwachung eines - von einer Sendeeinheit ausgestrahlten und von einer Empfangseinheit empfangenen - infraroten Lichtstrahls . Die linearen Rauchmelder können gut geeignet sein zum Beispiel zur Überwachung von großen Flachen .A linear smoke detector responds to a smoke-induced attenuation of an infrared light beam emitted by a transmitting unit and received by a receiving unit. The linear smoke detectors may be well suited, for example, for monitoring large areas.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erkennen einer Gefahrsituation unter Verwendung des erfindungsgemaßen Gefahrmelders angegeben.According to a further aspect of the invention, a method for detecting a dangerous situation using the inventive hazard alarm is specified.
Mit einem derartigen Verfahren, konnten die oben genannten Vorteile des Gefahrmelders optimal ausgenutzt werden. Ein geeignetes Verfahren, das auf vorteilhafte Weise die beiden von dem Gefahrmelder kombinierten sensorischen Prinzipien berücksichtigt, kann ermöglichen, dass ein einziger Gefahrmelder zum Beispiel zu einer effektiven und zuverlässigen Erkennung von Branden, Brandursachen, gefahrlichen Gasen, brandfordernden Stoffen, explosiven Gasgemischen und Stauben eingesetzt werden kann.With such a method, the above-mentioned advantages of the danger detector could be optimally utilized. A suitable method, which advantageously takes into account the two sensory principles combined by the hazard detector, may allow a single hazard detector to be used, for example, for effective and reliable detection of fires, fires, hazardous gases, fire-fighting substances, explosive gas mixtures and dusting can.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die Auswertung ein Kombinieren und/oder einen Vergleich des ersten Ausgangssignals und des zweiten Ausgangssignals auf.According to a further exemplary embodiment of the invention, the evaluation has a combination and / or a comparison of the first output signal and the second output signal.
Durch das Kombinieren und/oder den Vergleich der beiden Ausgangsignale wird es möglich Informationen bezuglich einer Gefahrsituation, eines Brandes und/oder einer Brandursache zu ermitteln, die über Informationen der einzelnen Ausgangsigna- Ie hinaus gehen. Somit kann zum Beispiel eine weitere Brandursache oder eine zusatzliche latente Brandgefahr erkannt werden . Gemaß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird die Auswertung in Bezug auf einen zeitlichen Verlauf der beiden Ausgangsignale durchgeführt. Dabei kann die Auswerte- einheit die Ausgangssignale des gassensitiven Halbleitersensors und des optischen Rauchmelders vergleichen und/oder superponieren und/oder den zeitlichen Verlauf der Ausgangssignale zueinander in Beziehung setzen, um die Brandursache einschätzen zu können. Eine derartige Auswertung der Aus- gangssignale kann sowohl vor einem Brand auch als wahrend eines Brandes durchgeführt werden.By combining and / or comparing the two output signals, it becomes possible to determine information concerning a dangerous situation, a fire and / or a cause of the fire, which go beyond information about the individual output signals. Thus, for example, another cause of fire or an additional latent fire hazard can be detected. According to a further exemplary embodiment of the invention, the evaluation is carried out with respect to a time profile of the two output signals. In this case, the evaluation unit can compare and / or superimpose the output signals of the gas-sensitive semiconductor sensor and the optical smoke detector and / or relate the time profile of the output signals to one another in order to be able to estimate the cause of the fire. Such an evaluation of the output signals can be carried out both before a fire and during a fire.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird in der Auswerteeinheit ein Auswertevorgang durch das Uber- schreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts eines Ausgangsignal der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115) und/oder der optischen Rauchdetektionseinrichtung (118) ausgelost .According to a further exemplary embodiment of the invention, an evaluation process is initiated in the evaluation unit by the exceeding of a predetermined threshold value of an output signal of the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) and / or the optical smoke detection device (118).
Mit dem Auswertevorgang, der durch das Überschreiten des Schwellenwerts ausgelost wird, kann zum Beispiel erreicht werden, dass der Auswertevorgang nur bei bestimmten Konzentrationen von bestimmten Gasen und/oder nur bei bestimmten Konzentrationen von Rauch- und/oder Staubpartikeln durchge- fuhrt wird. Dabei kann der Auswertevorgang ausgelost werden, wenn zum Beispiel die Konzentration einen bestimmten Wert überschreitet oder innerhalb einer bestimmten Zeit die Konzentration überdurchschnittlich schnell ansteigt. Die geeigneten Schwellenwerte können bezuglich einer bevorzugten Anwendung und/oder Funktionalitat des Gefahrmelders gewählt werden. Zum Beispiel können somit Falschalarme und/oder unnötige Auswertevorgange vermieden werden. Der Auswertevorgang kann somit mittels eines geeigneten Triggers ausgelost werden .With the evaluation process, which is triggered by the exceeding of the threshold value, it can be achieved, for example, that the evaluation process is carried out only at certain concentrations of certain gases and / or only at certain concentrations of smoke and / or dust particles. In this case, the evaluation process can be triggered, for example, if the concentration exceeds a certain value or within a certain time, the concentration increases above average quickly. The appropriate thresholds may be selected for a preferred application and / or functionality of the hazard alarm. For example, false alarms and / or unnecessary evaluation processes can thus be avoided. The evaluation process can thus be triggered by means of a suitable trigger.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird ein Heizelement der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung derart zeitlich variabel betrieben, dass wenigstens zeitweise eine Änderung der Temperatur des Gassensorelements auftritt und der zeitliche Verlauf der Änderung der Temperatur als Warme-Messsignal verwendet wird.According to a further exemplary embodiment of the invention, a heating element of the gas-sensitive semiconductor sensor device operated so variable in time that at least temporarily a change in the temperature of the gas sensor element occurs and the time course of the change in temperature is used as the heat measurement signal.
Unter einem Warme-Messsignal kann dabei ein Warmetonungssig- nal verstanden werden, das großteils durch einen Energieeintrag von den Gasreaktionen entsteht. Dabei wird durch eine exotherme Oxidation der zu detektierenden Gase an der gassen- sitiven Halbleitersensoreinrichtung der zeitliche Verlauf der Temperaturanderung als Reaktion auf eine Änderung der Beheizung anders ausfallen, als wenn die Gase nicht oder in anderer Konzentration anwesend sind. Die Form dieses zeitlichen Verlaufes kann somit zusatzlich als Große zur Messung dieser Gase verwendet werden.In this context, a warm measurement signal can be understood to mean a thermal recovery signal which is largely produced by an energy input from the gas reactions. In this case, an exothermic oxidation of the gases to be detected on the gas-sensitive semiconductor sensor device, the time course of the temperature change in response to a change in heating turn out differently than when the gases are not present or in a different concentration. The shape of this time course can thus also be used as a large measure of these gases.
Alternativ kann das Warme-Messsignal auch ein Warmeleitungs- signal darstellen, das zum überwiegenden Teil durch die Warmeleitung von Gasen erzeugt wird. Dabei beeinflusst eine Gaszusammensetzung um die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung deren Wärmeleitfähigkeit. Wenn die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung warmer ist als das umgebende Gas, wird ihre Abkühlung durch die Warmeleitung des Gases von der Gaszusammensetzung abhangen. Dies lasst sich am Aufheizver- lauf oder am Abkuhlverlauf der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung ablesen.Alternatively, the heat measurement signal can also represent a heat conduction signal, which is generated predominantly by the heat conduction of gases. In this case, a gas composition around the gas-sensitive semiconductor sensor device influences its thermal conductivity. If the gas-sensitive semiconductor sensor device is warmer than the surrounding gas, its cooling by the heat conduction of the gas will depend on the gas composition. This can be read off on the heating course or on the course of cooling of the gas-sensitive semiconductor sensor device.
Der zeitliche Verlauf der Änderung der Temperatur, d.h. das transiente Warme-Messsignal, kann auf verschiedene Arten ausgewertet werden. So kann beispielsweise eine zeitliche Änderung der Temperatur direkt nach einem Ausschalten der Beheizung betrachtet werden, d.h. die Steigung des Temperatur-Zeit-Verhaltens. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Änderung der Temperatur nach Verstreichen einer vorbe- stimmten Zeit zu betrachten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Zeit zu ermitteln, die für eine vorbestimmte Änderung der Temperatur verstreicht. Gemaß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird in ersten Zeitabschnitten die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung derart beheizt, dass sie eine Temperaturschwelle wenigstens erreicht, und in zweiten Zeitabschnitten die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung schwacher als in den ersten Zeitabschnitten beheizt oder unbeheizt betrieben wird. Die Dauer und Abfolge der ersten und zweiten Zeitabschnitte sowie die zweite Temperatur wird so gewählt, dass der durch- schnittliche Leistungsverbrauch, der durch den Betrieb des Heizelements anfallt, kleiner als eine obere Heizleistungsgrenze ist, wobei als obere Heizleistungsgrenze 10 mW, bevorzugt 5 mW und insbesondere 1 mW verwendet wird.The time course of the change in temperature, ie the transient heat measurement signal, can be evaluated in various ways. Thus, for example, a temporal change in temperature can be considered directly after switching off the heating, ie the slope of the temperature-time behavior. Another possibility is to look at the change in temperature after a predetermined time has elapsed. Another possibility is to determine the time that elapses for a predetermined change in temperature. According to a further exemplary embodiment of the invention, the gas-sensitive semiconductor sensor device is heated in first time sections such that it at least reaches a temperature threshold, and in second time periods the gas-sensitive semiconductor sensor device is operated less heated or unheated than in the first time sections. The duration and sequence of the first and second time periods as well as the second temperature is selected such that the average power consumption incurred by the operation of the heating element is less than an upper heating power limit, with 10 mW, preferably 5 mW, and 10 mW as the upper heating power limit in particular 1 mW is used.
Die ersten und zweiten Abschnitte können sich dabei abwechseln und als Temperaturschwelle kann beispielsweise 150 °C verwendet werden. Es kann wenigstens je ein Ausgangssignal der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung aus den zweiten Zeitabschnitten berücksichtigt werden. Alternativ kann aus den zweiten Zeitabschnitten jeweils ein Verlauf von mehreren Ausgangsignalen der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung berücksichtigt werden.The first and second sections can alternate and as a temperature threshold, for example 150 ° C can be used. At least one respective output signal of the gas-sensitive semiconductor sensor device from the second time segments can be taken into account. Alternatively, a course of a plurality of output signals of the gas-sensitive semiconductor sensor device can be taken into account in each case from the second time sections.
Es können auch weitere Zeitabschnitte verwendet werden, in denen die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung derart beheizt wird, dass sie nach einer Einpegelung ihrer Temperatur weitere Temperaturen annimmt, wobei auch die weiteren Temperaturen so gewählt werden, dass der durchschnittliche Leistungsverbrauch, der durch den Betrieb des Heizelements anfallt, kleiner als die obere Heizleistungsgrenze ist. Die Lange der ersten Zeitabschnitte kann weniger als 1 s und die Lange der zweiten Zeitabschnitte kann mehr als 10 s sein, wobei die Abfolge und die Dauer der Zeitabschnitte im laufenden Betrieb angepasst werden kann. Dabei kann das Heizelement innerhalb wenigstens eines Teils der Zeitabschnitte mit einer für jeden dieser Zeitabschnitte festgelegten konstanten Heizspannung oder konstanten Heizleistung betrieben werden. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausfuhrungsformen.It is also possible to use further time segments in which the gas-sensitive semiconductor sensor device is heated in such a way that it assumes further temperatures after a leveling of its temperature, the other temperatures also being selected such that the average power consumption resulting from the operation of the heating element, is smaller than the upper heating power limit. The length of the first time periods can be less than 1 s and the length of the second time periods can be more than 10 s, whereby the sequence and duration of the time periods can be adjusted during operation. In this case, the heating element can be operated within at least part of the time segments with a constant heating voltage or constant heating power set for each of these periods. Further advantages and features of the present invention will become apparent from the following exemplary description of presently preferred embodiments.
Figur 1 zeigt einen Gefahrmelder.FIG. 1 shows a danger detector.
Figur 2 zeigt einen Metalloxidhalbleiter-Gassensor.FIG. 2 shows a metal oxide semiconductor gas sensor.
Figur 3 zeigt einen gassensitiven Feldeffekttransistor.FIG. 3 shows a gas-sensitive field-effect transistor.
Figur 4 zeigt eine Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren .FIG. 4 shows an arrangement of a plurality of gas sensitive field effect transistors.
Figur 5 zeigt eine Auswertung von Ausgangssignalen eines Metalloxidhalbleiter-Gassensors und einer optischen Rauchde- tektionseinrichtung .FIG. 5 shows an evaluation of output signals of a metal oxide semiconductor gas sensor and an optical smoke detection device.
Figur 6 zeigt eine Auswertung von Ausgangssignalen einerFIG. 6 shows an evaluation of output signals of a
Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren und einer optischen Rauchdetektionseinrichtung .Arrangement of a plurality of gas-sensitive field-effect transistors and an optical smoke detection device.
An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in der Zeich- nung die Bezugszeichen von gleichen oder von einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer und/oder durch einen angehängten Buchstaben unterscheiden.It should be noted at this point that in the drawing the reference symbols of identical or corresponding components differ only in their first digit and / or by an appended letter.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines Gefahrmelders 114. Der Gefahrmelder 114 weist ein Grundelement 117 auf. An dem Grundelement 117 ist ein mikromechanisch hergestellter Metalloxidhalbleiter-Gassensor 115, eine optische Rauchdetektionseinrichtung 118 sowie eine elektronische Schaltung mit einer Auswerteeinheit 119, einem Multiplexer 116 und einer Heizungsversorgungseinheit 120 aufgebaut. Der Multiplexer 116 ist dabei mit dem Metalloxid- halbleiter-Gassensor 115, der optischen Rauchdetektionsein- richtung 118, der Heizungsversorgungseinheit 120 und der Auswerteeinheit 119 sowie mit einem nicht gezeigten Heizelement des Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 verbunden.FIG. 1 shows a schematic representation of the structure of a danger detector 114. The danger detector 114 has a basic element 117. A micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 115, an optical smoke detection device 118 and an electronic circuit with an evaluation unit 119, a multiplexer 116 and a heating supply unit 120 are constructed on the base element 117. The multiplexer 116 is connected to the metal oxide Semiconductor gas sensor 115, the optical smoke detection device 118, the heating supply unit 120 and the evaluation unit 119 and connected to a not shown heating element of the metal oxide semiconductor gas sensor 115.
Der Multiplexer 116 sorgt dafür, dass die Ausgangsignale des Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 und die Ausgangssignale der optischen Rauchdetektionseinrichtung 118 bei einem Auswertevorgang kombiniert und/oder verglichen werden können. Ferner sorgt der Multiplexer 116 dafür, dass in den ersten Zeitabschnitten die Heizungsversorgungseinheit 120 mit dem Heizelement des mikromechanisch hergestellten Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 verbunden ist und somit der Metalloxidhalbleiter-Gassensor 115 beheizt wird. Weiterhin kann in den zweiten Zeitabschnitten das Heizelement des mikromechanisch hergestellten Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 mit der Auswerteeinheit 119 entweder mittels des Multiplexers 116 oder direkt verbunden werden. Hierdurch entfallt die Beheizung des Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 und eine Messung der Umgebungstemperatur durch die Auswerteeinheit 119 wird ermöglicht. Alternativ kann die Heizungsversorgungseinheit 120 auch direkt sowohl mit dem Heizelement des Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 als auch mit der Auswerteeinheit 119 verbunden werden. Dadurch kann ggf. eine Regelschleife zwischen der Heizungsversorgungseinheit 120, dem Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 und der Auswerteeinheit 119 gebildet werden.The multiplexer 116 ensures that the output signals of the metal oxide semiconductor gas sensor 115 and the output signals of the optical smoke detection device 118 can be combined and / or compared in an evaluation process. Furthermore, the multiplexer 116 ensures that the heating supply unit 120 is connected to the heating element of the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 115 in the first time segments, and thus the metal oxide semiconductor gas sensor 115 is heated. Furthermore, in the second time periods, the heating element of the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 115 can be connected to the evaluation unit 119 either by means of the multiplexer 116 or directly. This eliminates the heating of the metal oxide semiconductor gas sensor 115 and a measurement of the ambient temperature by the evaluation unit 119 is made possible. Alternatively, the heating supply unit 120 can also be connected directly both to the heating element of the metal-oxide-semiconductor gas sensor 115 and to the evaluation unit 119. As a result, if appropriate, a control loop can be formed between the heating supply unit 120, the metal-oxide-semiconductor gas sensor 115 and the evaluation unit 119.
Alternativ oder zusatzlich kann in dem Gefahrmelder 114 auch ein Gassensitiver Feldeffekttransistor (GasFET) , welcher nachfolgend anhand von Figur 3 beschrieben wird, eingesetzt werden. Der GasFET kann auch unbeheizt betrieben werden.Alternatively or additionally, in the danger detector 114, a gas-sensitive field effect transistor (GasFET), which will be described below with reference to Figure 3, are used. The GasFET can also be operated unheated.
Figur 2 zeigt den Querschnitt eines mikromechanisch herge- stellten Metalloxidhalbleiter-Gassensors 215. Der mikromechanisch hergestellte Metalloxidhalbleiter-Gassensor 215 weist ein Tragerelement 222, beispielsweise aus Siliziumnitrit Si3N4 auf. Das Tragerelement 222 ist üblicherweise quadratisch oder rechteckig und liegt auf einem Rahmen aus SiliziumFIG. 2 shows the cross section of a micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215. The micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215 has a carrier element 222, for example of silicon nitrite Si3N 4 on. The support element 222 is usually square or rectangular and lies on a frame of silicon
221, der mittels eines anisotropen Atzprozesses aus einem Siliziumwafer produziert werden kann. Das Tragerelement 222 weist ein Heizelement 224 auf. Dieses ist im gegebenen Beispiel als Maanderwiderstand aus Platin ausgeführt. Der Maan- derwiderstand 224 wird in einem Bereich des Tragerelements221, which can be produced by means of an anisotropic etching process from a silicon wafer. The carrier element 222 has a heating element 224. This is in the example given as Maander resistor made of platinum. The ground resistor 224 becomes in a region of the carrier element
222, der auf dem Rahmen aus Silizium 221 liegt, von außen kontaktiert. Das Heizelement 224 ist bedeckt von einer Iso- lierschicht 223, die beispielsweise Siliziumdioxid (SiC>2) aufweisen kann. Auf der Isolierschicht 223 sitzt schließlich eine gassensitive Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht 225, die beispielsweise mit Palladium dotiertes Zinndioxid aufweisen kann. Die Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht 225 ist üblicherweise über metallische Anschlüsse, die in Figur 2 nicht gezeigt sind, kontaktiert.222, which is located on the frame of silicon 221, contacted from the outside. The heating element 224 is covered by an insulating layer 223, which may, for example, comprise silicon dioxide (SiC> 2 ). On the insulating layer 223 finally sits a gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer 225, which may have, for example, doped with palladium tin dioxide. The metal oxide semiconductor material layer 225 is usually contacted via metallic terminals, which are not shown in FIG.
Das Tragerelement des gezeigten mikromechanisch hergestellten Metalloxidhalbleiter-Gassensors 215 ist in diesen Beispielen nur etwa 1 μm dick. Dieser extrem dünne Querschnitt für die Festkorperwarmeleitung fuhrt zu einer extrem guten thermischen Isolation von Heizelement 224 und der gassensitiven Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht 225 von den restlichen Teilen des Aufbaus . Hieraus resultiert ein sehr geringer Heizleistungsbedarf, um eine konstante Temperatur zu halten. So werden beispielsweise bei solchen mikromechanisch hergestellten Metalloxidhalbleiter-Gassensoren nur wenige 10 mW benotigt, um die gassensitive Metalloxid-Halbleitermaterial- Schicht 225 stabil auf einer Temperatur von beispielsweise 4000C zu halten.The carrier element of the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215 is only about 1 μm thick in these examples. This extremely thin cross section for the solid state warming line results in extremely good thermal insulation of heating element 224 and the gas sensitive metal oxide semiconductor material layer 225 from the remainder of the structure. This results in a very low heating power requirement to maintain a constant temperature. Thus, only a few mW 10 are needed to maintain the gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer 225 stably at a temperature of, for example, 400 0 C, for example at such a micromachined metal oxide semiconductor gas sensors.
Weiterhin fuhrt die gute thermische Isolation im Zusammenspiel mit den relativ flachen Aufbauten auf dem Tragerelement 222, die in Figur 2 nicht maßstablich dargestellt sind, zu einer sehr geringen thermischen Masse des zu beheizendenFurthermore, the good thermal insulation in interaction with the relatively flat structures on the support element 222, which are not shown to scale in FIG. 2, leads to a very low thermal mass of the element to be heated
Aufbaus. Das wiederum fuhrt zu einer extrem geringen Zeitkonstante für das Aufheizen und das Abkühlen von dem Tragerele- ment 222, dem Heizelement 224 und der gassensitiven Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht 225. Der mikromechanisch hergestellte Metalloxidhalbleiter-Gassensor 215 kann somit innerhalb von weniger als 150 ms im beheizten Zustand eine Temperatur von beispielsweise etwa 225°C erreichen. Im unbe- heizten Zustand, also nach einem Abschaltzeitpunkt, kann der mikromechanisch hergestellte Metalloxidhalbleiter-Gassensor 215 sogar noch schneller, nämlich in weniger als 100 ms wieder die Umgebungstemperatur erreichen.Construction. This in turn leads to an extremely small time constant for the heating and cooling of the carrier element. ment 222, the heating element 224 and the gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer 225. The micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215 can thus reach a temperature of, for example, about 225 ° C. within less than 150 ms in the heated state. In the unheated state, ie after a switch-off time, the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215 can reach the ambient temperature even faster, namely in less than 100 ms.
Figur 3 zeigt einen gassensitiven Feldeffekttransistor 315, welcher nachfolgend auch kurz als GasFET bezeichnet wird. Der GasFET 315 basiert auf einem Feldeffektaufbau. Der GasFET 315 weist auf einen Drain-Anschluss 335, einen Source-Anschluss 334 sowie ein katalytisches Gatter mit einer gassensitiven Gatterbeschichtung 336, an die Gasmolekule 339 adsorbieren können. Weiterhin weist der GasFET 315 einen Temperatursensor 333 auf. Die vom Temperatursensor 333 gemessene Temperatur wird bei der Auswertung des Signals des GasFETs 315 beruck- sichtigt, um Einflüsse der Umgebungstemperatur auf das Signal des GasFETs 315 zu kompensieren. Dies kann wichtig sein, wenn der GasFET 315 nicht beheizt wird und somit direkt dem Ein- fluss der Umgebungstemperatur ausgeliefert wird. In einem Gefahrmelder 114 kann nun das Signal des Temperatursensors 333 vorteilhaft verwendet werden, um ein weiteres Messsignal für die Detektion einer Gefahrsituation zur Verfugung zu haben .FIG. 3 shows a gas-sensitive field-effect transistor 315, which will also be referred to below as the gasFET for short. The GasFET 315 is based on a field effect design. GasFET 315 includes a drain 335, a source 334, and a catalytic gate having a gas sensitive gate coating 336 to which gas molecules 339 can adsorb. Furthermore, the gasFET 315 has a temperature sensor 333. The temperature measured by the temperature sensor 333 is taken into account in the evaluation of the signal of the GasFET 315 in order to compensate for influences of the ambient temperature on the signal of the GasFET 315. This can be important if the GasFET 315 is not heated and is thus delivered directly to the ambient temperature. In a danger detector 114, the signal of the temperature sensor 333 can now be advantageously used in order to have available a further measurement signal for the detection of a dangerous situation.
Figur 4 zeigt schematisch eine Anordnung mehrerer gassensiti- ver Feldeffekttransistoren 415. Gemäß dem hier beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel werden verschiedene Halbleiter- Materialien wie zum Beispiel mit Bariumtitanat dotiertes Kupferoxid (BaTiO3/CuO) 436A, mit Palladium dotiertes Zinndioxid (Pa/SnO2) 436B, Kupferphthalocyanin (CuPC) 436C und Polyamid (PA) 436D als gassensitive Gatterbeschichtungen benutzt. Somit kann diese Annordung mittels eines CMOS Trans- ducers 437 einen Cθ2-Sensor 415A, einen CO-Sensor 415B, einen Nθ2-Sensor 415C und einen Feuchtigkeitssensor 415D aufweisen. Die Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren kann alternativ den Metalloxidhalbleiter-Gassensor 115 in den Gefahrmelder 114 ersetzen oder zusatzlich zu diesem verwendet werden. Analog kann eine Anordnung mehrerer gassensitiver Metalloxidhalbleiter-Gassensors alternativ den Metalloxidhalbleiter-Gassensor 115 in den Gefahrmelder 114 ersetzen oder zusatzlich zu diesem verwendet werden.4 schematically shows an arrangement of a plurality of gas-sensitive field-effect transistors 415. According to the exemplary embodiment described here, various semiconductor materials such as barium titanate doped copper oxide (BaTiO 3 / CuO) 436A, palladium-doped tin dioxide (Pa / SnO 2 ) 436B, Copper phthalocyanine (CuPC) 436C and polyamide (PA) 436D are used as gas sensitive gate coatings. Thus, by means of a CMOS transformer 437, this order may include a CO 2 sensor 415A, a CO sensor 415B, a Have Nθ 2 sensor 415C and a humidity sensor 415D. The arrangement of a plurality of gas-sensitive field effect transistors may alternatively replace the metal oxide semiconductor gas sensor 115 in the hazard alarm 114 or be used in addition to this. Similarly, an arrangement of a plurality of gas sensitive metal oxide semiconductor gas sensors may alternatively replace the metal oxide semiconductor gas sensor 115 in the hazard alarm 114 or be used in addition thereto.
Figur 5 zeigt einen Ablauf einer Auswertung von Ausgangssignalen eines Metalloxidhalbleiter-Gassensors und einer optischen Rauchdetektionseinrichtung . Der gassensitive Metalloxidhalbleiter-Gassensor wird mit einem geeigneten Temperaturpulsverfahren 551 bevorzugt durch Temperaturpulse und unterschiedliche Temperaturrampen betrieben. Dabei wird der gassensitive Metalloxidhalbleiter-Gassensor entsprechend beheizt, wobei zum Beispiel von der in Figur 1 dargestellten Heizungsversorgungseinheit 120 des gassensitiven Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 geeignete Strom- bzw. Spannungspul- se an das in Figur 2 dargestellte Heizungselement 224 angelegt werden. Abhangig von den gewählten Temperaturpulsen und Temperaturrampen werden die Gasreaktionen an der gassensitiven Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht unterschiedlich ablaufen, so dass der Metalloxidhalbleiter-Gassensor ein für die detektierten Gasmolekule charakteristisches Ausgangssignal liefert. Dieses kann mittels eines nachfolgenden Mustererkennungsverfahrens 552A ausgewertet werden.Figure 5 shows a flow of an evaluation of output signals of a metal oxide semiconductor gas sensor and an optical smoke detection device. The gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor is preferably operated by temperature pulses and different temperature ramps with a suitable temperature pulse method 551. In this case, the gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor is heated accordingly, for example, suitable current or voltage pulses are applied to the heating element 224 shown in FIG. 2 by the heating supply unit 120 of the gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor 115 shown in FIG. Depending on the selected temperature pulses and temperature ramps, the gas reactions at the gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer will proceed differently, so that the metal oxide semiconductor gas sensor supplies a characteristic of the detected gas molecules output signal. This can be evaluated by means of a subsequent pattern recognition method 552A.
Über benutzte mathematische Algorithmen werden Signaturen unterschiedlicher Gase erkannt, wie dieses zum Beispiel in der Publikation A. Schütze, A. Gramm, T. Ruhl : Identification of Organic Solvente by a Virtual Multisensor System with Hierarchical Classification, In: IEEE Sensors J, vol. 4, pp . 857-863, December 2004 beschrieben ist.By using mathematical algorithms, signatures of different gases are recognized, as for example in the publication A. Schütze, A. Gramm, T. Ruhl: Identification of Organic Solvents by a Virtual Multisensor System with Hierarchical Classification, In: IEEE Sensors J, vol. 4, pp. 857-863, December 2004.
Unter Signaturen können zum Beispiel gascharakteristische Reaktions-Kurven verstanden werden, die den zeitlichen Ver- lauf zum Beispiel des Widerstandes und/oder der Impedanz des Metalloxidhalbleiter-Gassensors zeigen. Ferner können unter dem Begriff Signaturen die entsprechenden Anstiegskurven des Widerstandes und/oder der Impedanz des Metalloxidhalbleiter- Gassensors verstanden werden. Die gemessenen Signaturen können mit in einer Datenbank gespeicherten Signaturen verglichen werden. Somit kann die Auswertung als Ergebnis zum Beispiel die Information liefern, ob ein brandfordernder Stoff vorhanden ist. Ferner kann als Ergebnis ggf. auch der Typ des vorhandenen brandfordernden Stoffes ermittelt werden. Weiterhin kann als Ergebnis eine Konzentration eines oder mehrerer gefahrlicher Gase wie beispielsweise CO gemeldet werden. Auch kann die Information, ob ein Brandgas vorhanden ist und gegebenenfalls auch dessen Konzentration bereitge- stellt werden. Außerdem kann als Ergebnis die Information über den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals und/oder der Konzentrationen der zu detektierenden Gase gegeben werden.Signatures can be understood, for example, to be gas-characteristic reaction curves which show, for example, the resistance and / or the impedance of the metal oxide semiconductor gas sensor. Furthermore, the term signatures can be understood to mean the corresponding rise curves of the resistance and / or the impedance of the metal-oxide-semiconductor gas sensor. The measured signatures can be compared with signatures stored in a database. Thus, for example, the evaluation may provide information as to whether a fire-demanding substance is present. Furthermore, as a result, if necessary, also the type of the existing fire-fighting substance can be determined. Furthermore, as a result, a concentration of one or more hazardous gases such as CO may be reported. Also, the information as to whether a combustion gas is present and possibly also its concentration can be provided. In addition, as a result, the information about the time profile of the output signal and / or the concentrations of the gases to be detected can be given.
Parallel wird eine Auswertung von dem Ausgangssignal des Steuerlichtdetektors beziehungsweise des linearen Rauchmelders durchgeführt. Dieses Ausgangssignal kann auch mittels eines Mustererkennungsverfahrens 552B ausgewertet werden. Über benutzte mathematische Algorithmen werden Signaturen von Rauch und Stauben erkannt. Die Signaturen können in dem Fall des Steuerlichtdetektors den zeitlichen Verlauf der Intensität und/oder der Flackerfrequenz und/oder der Signalabnahmebzw. Anstiegsrate des Streulichts aufweisen. In dem Fall des linearen Rauchmelders können die Signaturen den zeitlichen Verlauf der Intensität und/oder der Flackerfrequenz und/oder der Signalabnahme- bzw. Anstiegsrate des von der Empfangseinheit empfangenen Durchlichts aufweisen. Diese Signaturen können mit in einer Datenbank gespeicherten Signaturen verglichen werden. Somit kann die Auswertung als Ergebnis zum Beispiel die Information liefern, ob ein Rauch und/oder Staub vorhanden ist. Ferner kann als Ergebnis die Art und Konzentration der Rauch- und/oder Staubpartikel mitgeteilt werden. Auch kann als Ergebnis die Information über den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals und/oder der Konzentrationen von Rauch- und/oder Staubpartikeln geliefert werden.In parallel, an evaluation of the output signal of the control light detector or the linear smoke detector is performed. This output signal can also be evaluated by means of a pattern recognition method 552B. Using mathematical algorithms, signatures of smoke and dust are detected. The signatures can in the case of the control light detector, the time course of the intensity and / or the Flackerfrequenz and / or the Signalabnahmebzw. Increase rate of scattered light have. In the case of the linear smoke detector, the signatures may include the time course of the intensity and / or the flicker frequency and / or the rate of decrease or decrease of the transmitted light received by the receiving unit. These signatures can be compared to signatures stored in a database. Thus, as a result, the evaluation may, for example, provide the information as to whether smoke and / or dust is present. Furthermore, as a result, the type and concentration of the smoke and / or dust particles can be reported. Also, as a result, the information about the temporal Course of the output signal and / or the concentrations of smoke and / or dust particles are supplied.
Nachfolgend werden die beiden Ausgangssignale des Metalloxid- halbleiter-Gassensors und der optischen Rauchdetektionsein- richtung superponiert und verglichen 553. Auch die Auswertung der Superposition und des Vergleichs kann ahnlich wie schon oben beschrieben mittels eines Mustererkennungsverfahrens durchgeführt werden. Weiterhin kann diese Auswertung eine Analyse des zeitlichen Verlaufs 553 der Ausgangssignale aufweisen. Durch die hier beschriebene kombinierte Auswertung 553 der beiden Ausgangssignale können zusatzliche Aussagen getroffen werden wie zum Beispiel ob es ohne eine Rauchentwicklung brennt, ob ein Brand durch einen brandfordernden Stoff unterstutzt und/oder ausgelost wurde. Gegebenenfalls kann auch eine Identifikation des brennenden Medium vorgenommen werden. Zusatzlich können mit diesen Informationen zu treffende Maßnahmen und/oder Empfehlungen bezuglich der Art eines geeigneten Loschmittels und/oder einer Steuerung ver- schiedener Aktoren wie zum Beispiel der Start einer Uberwa- chungskamera und/oder einer Aktivierung von Notausgangen ausgegeben werden.Subsequently, the two output signals of the metal oxide semiconductor gas sensor and the optical smoke detection device are superimposed and compared 553. Also, the evaluation of the superposition and the comparison can be carried out similarly as described above by means of a pattern recognition method. Furthermore, this evaluation may include an analysis of the time profile 553 of the output signals. Through the combined evaluation 553 of the two output signals described here, additional statements can be made, such as whether it burns without smoke, whether a fire was assisted and / or triggered by a fire-fighting substance. Optionally, an identification of the burning medium can be made. In addition, measures and / or recommendations regarding the type of a suitable extinguishing agent and / or a control of various actuators, such as, for example, the start of a surveillance camera and / or an activation of emergency exits, can be output with this information.
Der Auswertevorgang durch die Auswerteeinheit kann zum Bei- spiel durch Überschreiten eines Schwellenwerts der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung und/oder der optischen Rauchdetektionseinrichtung ausgelost werden.The evaluation process by the evaluation unit can be triggered, for example, by exceeding a threshold value of the gas-sensitive semiconductor sensor device and / or the optical smoke detection device.
Figur 6 zeigt einen Ablauf einer Auswertung von Ausgangssig- nalen einer Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren und einer optischen Rauchdetektionseinrichtung. Die Auswertung 652A, 652B, 653 erfolgt analog zu der in Bezug auf Figur 5 beschriebenen Auswertung. Hier stehen Ausgangssignale von unterschiedlichen Sensoren 415A, 415B, 415C und 415D der in Figur 4 dargestellten Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren zu Verfugung. Die Auswertung der Ausgangssignale der Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren können auf verschiedene Weisen durchgeführt werden. Ein derzeit als besonders geeignet angesehenes Auswerteverfahren ist beschrieben in der Veröffentlichung von U. Hoefer, A Felske, G. Sulz und K.FIG. 6 shows a sequence of an evaluation of output signals of an arrangement of a plurality of gas-sensitive field effect transistors and an optical smoke detection device. The evaluation 652A, 652B, 653 is carried out analogously to the evaluation described in relation to FIG. Here, output signals from different sensors 415A, 415B, 415C and 415D are available for the arrangement of a plurality of gas sensitive field effect transistors shown in FIG. The evaluation of the output signals of the arrangement of a plurality of gas-sensitive field-effect transistors can be carried out in various ways. An evaluation method currently considered particularly suitable is described in the publication by U. Hoefer, A Felske, G. Sulz and K.
Steiner: SnC>2-Multisensorsysteme für die Analyse von Gas- und Geruchsstoffe, Tagungsband GMA-Tagung „Prozessautomation in der Lebensmittelindustrie", 1.-2. Februar 1996.Steiner: SnC> 2 multi-sensor systems for the analysis of gases and odors, conference proceedings GMA conference "Process automation in the food industry", 1-2 February 1996.
Bei der Auswertung können statistische Verfahren wie zumIn the evaluation, statistical methods such as
Beispiel Hauptkomponentenanalyse, multivariate Datenanalyse und/oder lineare Diskriminanzanalyse angewandt werden.Example principal component analysis, multivariate data analysis and / or linear discriminant analysis are applied.
Bei den in dieser Anmeldung beschriebenen sensorischen Prin- zipien ist besonders die geringe Leistungsaufnahme, der geringe Preis, die hohe Empfindlichkeit auf unterschiedliche Gase und die Stabilität der benutzten Sensoren hervorzuheben. Die genannten Vorteile stellen eine wichtige Voraussetzung dar, um die in dieser Anmeldung beschriebenen Gefahrmelder zu realisieren und deren Betrieb in elektronischen Netzwerken und Bussystemen zu ermöglichen.The sensory principles described in this application particularly emphasize the low power consumption, the low price, the high sensitivity to different gases and the stability of the sensors used. The advantages mentioned represent an important prerequisite in order to realize the danger alarms described in this application and to enable their operation in electronic networks and bus systems.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausfuhrungsformen lediglich eine beschrankte Auswahl an möglichen Ausfuhrungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausfuhrungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausfuhrungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausfuhrungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind. It should be noted that the embodiments described herein represent only a limited selection of possible embodiments of the invention. Thus, it is possible to combine the features of individual embodiments in a suitable manner with one another, so that a multiplicity of different embodiments are to be regarded as obviously disclosed to the person skilled in the art with the embodiments explicitly illustrated here.

Claims

Patentanspruche Patent claims
1. Gefahrmelder (114) mit1. Danger detector (114) with
• einer gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115), • einer optischen Rauchdetektionseinrichtung (118) und• a gas-sensitive semiconductor sensor device (115), • an optical smoke detection device (118) and
• einer Auswerteeinheit (119) zur Auswertung• an evaluation unit (119) for evaluation
- eines ersten Ausgangssignals der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115) unda first output signal of the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) and
- eines zweiten Ausgangssignals der optischen Rauchdetekti- onseinrichtung (118) .- A second output signal of the optical smoke detection device (118).
2. Gefahrmelder (114) nach Anspruch 1, wobei die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung (115) einen Metalloxidhalbleiter-Gassensor (215) aufweist.2. A hazard detector (114) according to claim 1, wherein the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) comprises a metal oxide semiconductor gas sensor (215).
3. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung eine Anordnung mehrerer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren (215) aufweist.3. hazard detector (114) according to any one of the preceding claims, wherein the gas-sensitive semiconductor sensor device comprises an arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors (215).
4. Gefahrmelder (114) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Metalloxidhalbleiter-Gassensor (215) oder die Anordnung mehrerer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren ein Tragerelement (222) mit einer Dicke von weniger als 100 μm, bevorzugt weniger als 50 μm und insbesondere weniger als 1 μm aufweist.4. A hazard detector (114) according to claim 2 or 3, wherein the metal oxide semiconductor gas sensor (215) or the arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors, a support member (222) having a thickness of less than 100 .mu.m, preferably less than 50 .mu.m and in particular less than 1 micron.
5. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung einen gassensi- tiven Feldeffekttransistor (315) aufweist.5. hazard detector (114) according to any one of the preceding claims, wherein the gas-sensitive semiconductor sensor device comprises a gas-sensitive field effect transistor (315).
6. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung eine Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren (415) aufweist. 6. hazard detector (114) according to one of the preceding claims, wherein the gas-sensitive semiconductor sensor device comprises an arrangement of a plurality of gas-sensitive field effect transistors (415).
7. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung (115) eingerichtet ist zur Detektion eines Gefahrstoffs.7. Danger detector (114) according to one of the preceding claims, wherein the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) is adapted for the detection of a hazardous substance.
8. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung (115) ein Heizelement (224 ) aufweist .8. hazard detector (114) according to one of the preceding claims, wherein the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) has a heating element (224).
9. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der durchschnittliche Leistungsverbrauch der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115) im Betrieb weniger als 10 mW, bevorzugt weniger als 5 mW und insbesondere weniger als 1 mW ist.9. A hazard detector (114) according to any one of the preceding claims, wherein the average power consumption of the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) in operation is less than 10 mW, preferably less than 5 mW and in particular less than 1 mW.
10. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei, die optische Rauchdetektionseinrichtung (118) einen Streulichtdetektor und/oder einen linearer Rauchmelder aufweist.10. hazard detector (114) according to any one of the preceding claims, wherein, the optical smoke detection means (118) comprises a scattered light detector and / or a linear smoke detector.
11. Verfahren zum Erkennen einer Gefahrsituation unter Verwendung eines Gefahrmelders (114) nach einem der vorangehen- den Ansprüche.11. A method of detecting a hazard situation using a hazard alarm (114) according to any one of the preceding claims.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Auswertung ein Kombinieren und/oder einen Vergleich des ersten Ausgangssignals und des zweiten Ausgangssignals aufweist.12. The method of claim 11, wherein the evaluation comprises combining and / or comparing the first output signal and the second output signal.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Auswertung in Bezug auf einen zeitlichen Verlauf der beiden Ausgangsignale durchgeführt wird.13. The method according to any one of claims 11 or 12, wherein the evaluation is carried out with respect to a time course of the two output signals.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei in der Auswerteeinheit (119) ein Auswertevorgang durch das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts eines Ausgangsignal der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115) und/oder der optischen Rauchdetektionseinrichtung (118) ausgelost wird.14. The method according to any one of claims 11 to 13, wherein in the evaluation unit (119) an evaluation process by the exceeding of a predetermined threshold value of an output signal of the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) and / or the optical smoke detection device (118) is triggered.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei ein Heizelement (224) der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115) derart zeitlich variabel betrieben wird, dass wenigstens zeitweise eine Änderung der Temperatur der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115) auftritt, und der zeitliche Verlauf der Änderung der Temperatur als Warme- Messsignal verwendet wird.15. The method according to any one of claims 11 to 14, wherein a heating element (224) of the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) is operated variable in time so that at least temporarily a change in the temperature of the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) occurs, and the time course of the change the temperature is used as a heat measurement signal.
16. Verfahren einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei in ersten Zeitabschnitten die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung (115) derart beheizt wird, dass es eine Temperaturschwelle wenigstens erreicht, und in zweiten Zeitabschnitten die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung (115) schwa- eher als in den ersten Zeitabschnitten beheizt oder unbeheizt betrieben wird, wobei die Dauer und Abfolge der ersten und zweiten Zeitabschnitte sowie die zweite Temperatur so gewählt wird, dass der durchschnittliche Leistungsverbrauch, der durch den Betrieb des Heizelements anfallt, kleiner als eine obere Heizleistungsgrenze ist, wobei als obere Heizleistungsgrenze 10 mW, bevorzugt 5 mW und insbesondere 1 mW verwendet wird. 16. The method of any of claims 11 to 13, wherein in first time periods, the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) is heated so that it reaches a temperature threshold at least, and in second time periods, the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) schwa- heated rather than in the first time periods or unheated, wherein the duration and sequence of the first and second time periods and the second temperature is selected so that the average power consumption incurred by the operation of the heating element is less than an upper heating power limit, with 10 mW as the upper heating power limit, preferably 5 mW and in particular 1 mW is used.
PCT/EP2008/055553 2008-05-06 2008-05-06 Danger alarm WO2009135524A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2008/055553 WO2009135524A1 (en) 2008-05-06 2008-05-06 Danger alarm
EP08750099A EP2281286A1 (en) 2008-05-06 2008-05-06 Danger alarm

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2008/055553 WO2009135524A1 (en) 2008-05-06 2008-05-06 Danger alarm

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009135524A1 true WO2009135524A1 (en) 2009-11-12

Family

ID=40542582

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2008/055553 WO2009135524A1 (en) 2008-05-06 2008-05-06 Danger alarm

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP2281286A1 (en)
WO (1) WO2009135524A1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2592609A1 (en) * 2011-11-10 2013-05-15 Honeywell International Inc. Photoelectric detector combined with MOS gas sensor
EP2634756A3 (en) * 2013-06-10 2013-12-04 Siemens Aktiengesellschaft Tobacco smoke detector
DE102012110095A1 (en) * 2012-10-23 2014-04-24 Unitronic Ag Method for gas detection and corresponding gas sensor device
CN114563447A (en) * 2020-11-27 2022-05-31 李玉钦 Low-power detection method for gas chip of thermal runaway early warning sensor

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2706515B1 (en) 2012-09-07 2014-11-12 Amrona AG Device and method for detecting dispersed light signals

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1502376A (en) * 1973-11-09 1978-03-01 Nohmi Bosai Kogyo Co Ltd Fire sensor devices
US4640628A (en) * 1984-07-11 1987-02-03 Hiroshi Seki Composite fire sensor
DE19845553A1 (en) * 1998-10-02 2000-04-13 Bosch Gmbh Robert Fire alarm
US6107925A (en) * 1993-06-14 2000-08-22 Edwards Systems Technology, Inc. Method for dynamically adjusting criteria for detecting fire through smoke concentration

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5486811A (en) * 1994-02-09 1996-01-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Fire detection and extinguishment system
DE19850564B4 (en) * 1998-11-03 2005-12-29 Minimax Gmbh & Co. Kg Method for fire detection with gas sensors
DE10330368B4 (en) * 2003-06-30 2008-11-27 Pronet Gmbh Method and arrangement for identifying and / or differentiating substances displayed by sensors in gas mixtures and a corresponding computer program and a corresponding computer-readable storage medium

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1502376A (en) * 1973-11-09 1978-03-01 Nohmi Bosai Kogyo Co Ltd Fire sensor devices
US4640628A (en) * 1984-07-11 1987-02-03 Hiroshi Seki Composite fire sensor
US6107925A (en) * 1993-06-14 2000-08-22 Edwards Systems Technology, Inc. Method for dynamically adjusting criteria for detecting fire through smoke concentration
DE19845553A1 (en) * 1998-10-02 2000-04-13 Bosch Gmbh Robert Fire alarm

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2281286A1 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2592609A1 (en) * 2011-11-10 2013-05-15 Honeywell International Inc. Photoelectric detector combined with MOS gas sensor
US9881491B2 (en) 2011-11-10 2018-01-30 Honeywell International Inc. Fire detector comprising a MOS gas sensor and a photoelectric detector
DE102012110095A1 (en) * 2012-10-23 2014-04-24 Unitronic Ag Method for gas detection and corresponding gas sensor device
EP2634756A3 (en) * 2013-06-10 2013-12-04 Siemens Aktiengesellschaft Tobacco smoke detector
CN114563447A (en) * 2020-11-27 2022-05-31 李玉钦 Low-power detection method for gas chip of thermal runaway early warning sensor

Also Published As

Publication number Publication date
EP2281286A1 (en) 2011-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2414822B1 (en) Selective detector for carbon monoxide
Solórzano et al. Early fire detection based on gas sensor arrays: Multivariate calibration and validation
DE2136968A1 (en) Fire alarm system
DE19850564B4 (en) Method for fire detection with gas sensors
EP0338218B1 (en) Early fire detection method
DE19720007C2 (en) Gas sensor system for the detection of at least one gas or of particles or a combination thereof with two gas sensors, method for its operation and use of the gas sensor system
DE4200946A1 (en) FIRE DETECTING METHOD
EP1332773A1 (en) Method for controlling a stationary extinguishing installation
WO2009135524A1 (en) Danger alarm
WO2010043272A1 (en) Multifunctional annunciator
EP1046148B1 (en) Signaling fire detector
DE112020002849T5 (en) Optical particle sensor
DE19956303A1 (en) Fire detectors with gas sensors
EP2083405A1 (en) Fire alarm
EP4043873A1 (en) Gas detection apparatus and gas detection method using detector and modulator
EP0643827B1 (en) Methane sensor
WO2000054841A1 (en) Sensor device and method of detecting gases or fumes in air
DE19808663C2 (en) Fire detection system and operating procedures for this system
EP0421100B1 (en) Procedure and equipment for recognizing dangerous conditions in a room
DE4023649A1 (en) Procedure and equipment for detection of dangerous gases - uses radiation source and detectors to provide raw data which is compared with reference values
DE19956302C2 (en) Fire detectors with gas sensors
EP0608483B1 (en) Method and semiconductor gas sensor device for detecting fire or explosion hazards
DE4127004A1 (en) Early fire detection arrangement - contains combination of sensors, microprocessor-controlled signal evaluation unit, fuzzy logic or neural network to avoid false alarms
CN109830080A (en) A kind of smoke detector based on Internet of Things
Harwood et al. The use of low power carbon monoxide sensors to provide early warning of fire

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08750099

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008750099

Country of ref document: EP