CN113551773A - 一种基于热电效应的火焰探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热电效应的火焰探测装置，装置包括：半导体柱、半导体片、吸热层、隔热部、导电部、电极和绝缘基底。半导体柱的一端涂覆有吸热层，半导体柱的另一侧穿过隔热部，与其下侧的半导体片连接，导电部设置在半导体片的下侧，导电部的两端设有电极，导电部和电极的下侧为绝缘基底，当探测火焰时，火焰产生的光和热辐射被吸热层吸收，半导体柱的上侧会接收到光和热的双重作用开始升温，使半导体柱内的载流子向下迁移，改变导电部的导电特性，探测通过导电部的电信号来探测火焰。本发明结构简单，安全稳定，操作方便，探测火焰灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于探测领域，具体涉及一种基于热电效应的火焰探测装置，主要应用于基于热电效应的火焰探测领域。
背景技术
火焰是指火的灼热发光的气化部分。火焰是一种状态或现象，燃烧着的可燃气体，发光，发热，闪烁而向上升。燃烧既是化学现象，也是一种物理现象。火焰可以给人带来许多益处，但使用不慎也可产生危害。产生火焰的三个条件是有可燃物，有氧化剂，温度达到着火点。火焰并非都是高温等离子态，在低温下也可以产生火焰。一般情况下，在火焰产生的时候会伴随着一些发光和发热的现象出现。
火焰探测器又称感光式火灾探测器，它是用于响应火灾的光特性，即探测火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。根据火焰的光特性，使用的火焰探测器有三种：一种是对火焰中波长较短的紫外光辐射敏感的紫外探测器；另一种是对火焰中波长较长的红外光辐射敏感的红外探测器；第三种是同时探测火焰中波长较短的紫外线和波长较长的红外线的紫外/红外混合探测器。
现有的光学火焰探测器有响应速度快，探测距离远，环境适应性好的优点，但是缺点是价格昂贵，成本高。而其他类型的火焰探测器成本低，但是反应速度慢，环境适应性差。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于热电效应的火焰探测装置，以解决现有火焰探测器成本高和探测反应慢的问题。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本实施例提供了一种基于热电效应的火焰探测装置，其特征在于，结构包括：半导体柱、半导体片、吸热层、隔热部、导电部、第一电极、第二电极、绝缘基底；
所述半导体柱竖直穿过所述隔热部，处于隔热部上侧的半导体柱的表面镀有一层所述吸热层，处于隔热部内部的半导体柱的底部连接所述半导体片；
所述半导体片的下侧设置有所述导电部，所述导电部的两端分别设有所述第一电极、第二电极，导电部的下侧铺设有所述绝缘基底。
其中，当探测火焰时，所述吸热层吸收火焰产生的热量，同时由于光热效应，吸热层会将火焰产生的光辐射转化为热量传递到所述半导体柱上，所述半导体柱的上侧温度急速升高，由于半导体柱的下侧有一层隔热部，所述隔热部可以有效阻隔外界热量对所述半导体片的影响，使半导体片的温度小于半导体柱的温度，同时，导电部的温度也会小于半导体片的温度，由于热电效应，半导体柱和半导体片的载流子会向温度最低的导电部迁移，改变导电部的导电特性，通过测量电极两端负载的电信号变化来探测火焰强度。
在本发明的一个实施例中，所述半导体柱垂直设置于所述半导体片表面，且所述半导体片的宽度大于所述半导体柱的宽度。
在本发明的一个实施例中，所述吸热层的材质为黑铬材料。
在本发明的一个实施例中，所述吸热层与外界接触的表面是不平整的，具体为尖刺状。
在本发明的一个实施例中，所述半导体柱和所述半导体片的材料为砷化镓(GaAs)。
在本发明的一个实施例中，所述导电部的材料为热敏导电合金，具体为铁钴镍合金材料。
在本发明的一个实施例中，所述导电部的材料为二维材料，具体为多层石墨烯结构。
在本发明的一个实施例中，所述半导体片的下侧设置一些凸起，所述凸起嵌入所述导电部的内部。
在本发明的一个实施例中，所述半导体片设在所述导电部的内部。
第二方面，本实施例提供了另一种火焰探测装置，火焰探测装置包括第一方面所述的任意一项火焰探测装置，用于探测火焰的强度以及火灾报警。
本发明的有益效果是：
本实施例提供的火焰探测装置，当探测火焰时，所述吸热层吸收火焰产生的热量，同时由于光热效应，吸热层会将火焰产生的光辐射转化为热量传递到所述半导体柱上，所述半导体柱的上侧温度急速升高，由于半导体柱的下侧有一层隔热部，所述隔热部可以有效阻隔外界热量对所述半导体片的影响，使半导体片的温度小于半导体柱的温度，同时，导电部的温度也会小于半导体片的温度，由于热电效应，半导体柱和半导体片的载流子会向温度最低的导电部迁移，改变导电部的导电特性，通过测量电极两端负载的电信号变化来探测火焰强度。本申请提供的火焰探测装置首先通过光热效应，可以将火焰产生的光辐射和热辐射充分利用，让两者共同转化为热量，再通过热电效应使半导体柱和半导体片内的电荷移动，从而改变导电部的导电特性从而使电流产生变化，由于电信号更容易分析和处理，所以这种方法探测火焰精度高，成本低而且安全稳定。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种火焰探测装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的另一种火焰探测装置的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的另一种火焰探测装置的结构示意图。
图标：1-半导体柱，2-半导体片，3-吸热层，4是隔热部，5是导电部，61-第一电极，62-第二电极，7-绝缘基底，8-凹面镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。
实施例一
请参见图1是本发明实施例提供的一种火焰探测装置的结构示意图，如图1所示，本实施例提供了一种基于热电效应的火焰探测装置，其特征在于，结构包括：半导体柱1、半导体片2、吸热层3、隔热部4、导电部5、第一电极61、第二电极62、绝缘基底7。
所述半导体柱1竖直穿过所述隔热部4，隔热部4的作用是将半导体柱1的上下两侧所处环境的温度隔开，形成温度差，有利于实现半导体柱上的热电效应，促进半导体内载流子移动，处于隔热部4上侧的半导体柱1的表面镀有一层所述吸热层3，处于隔热部4内部的半导体柱的底端连接所述半导体片2；所述半导体片2的底部设有所述导电部5，所述导电部5的左右两端分别设有所述第一电极61和第二电极62，导电部5的下侧铺设为所述绝缘基底7，绝缘基底7保护导电部5不受外界环境影响，确保装置探测稳定性。
可选地，所述半导体柱1和所述半导体片2的材质为砷化镓(GaAs)，因为半导体材料砷化镓(GaAs)具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点，所以使用砷化镓(GaAs)可以确保装置工作稳定。
可选地，所述半导体柱1垂直设置于所述半导体片2的表面，且所述半导体片2的宽度大于所述半导体柱1的宽度，由于半导体片2的表面更宽，有助于半导体片2上的载流子移动到导电部5上，使导电部5的导电特性变化更明显，而具体宽度可以根据不同使用实际情况设定，在此不作具体设定。
可选地，所述吸热层3的材质为黑铬材料，黑铬材料可以有效地吸收火焰产生的光辐射和热辐射。
可选地，所述吸热层3的表面为尖刺状，这样可以增加吸热层与外界的接触面积，更好地吸收热量，从而实现更高灵敏度的温度探测。
可选地，所述隔热部4的材料为玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐的一种。
可选地，所述导电部5的材质为热敏导电合金，具体为铁钴镍合金，由于铁钴镍合金有很好的热敏电阻特性，当系统内由于探测火焰强度不同而导致温度整体上升时，导电部5合金的温度也会升高，其电阻就会发生变化，同时受到半导体载流子的影响，导电特性会进一步发生变化，使探测的灵敏度更高。
可选地，所述导电部5的材质为二维材料，具体为多层石墨烯，温度差异造成半导体柱1和半导体片2的温度不同，在半导体片2与导电部5接触面处产生大量电荷分布，造成石墨烯层栅极电压变化，改变石墨烯的导电特性。由于石墨烯局域超强导电性以及很高的载流子迁移率的原因，导电特性变化会更灵敏，探测灵敏度更高。
可选地，所述绝缘基底7的材料为既耐热又绝缘的硅酸盐类以硅酸钙、硅酸镁的一种。
可选地，所述半导体片2的下侧设置一些凸起，所述凸起嵌入所述导电部5的内部，这样可以使得电荷更多地集中在半导体凸起处，使得导电部5栅极电压改变更多，从而更多地改变导电部5的导电特性，导电特性变化会更灵敏，探测灵敏度更高。
实施例二
图2为本发明一实施例提供的另一种火焰探测装置的结构示意图，如图2所示，本实施例中一种火焰探测装置与实施例一基本相同，区别仅在于还设置有凹面镜8其具体结构包括：半导体柱1、半导体片2、吸热层3、隔热部4、导电部5、第一电极61、第二电极62、绝缘基底7、凹面镜8。
所述半导体柱1竖直穿过所述隔热部4，隔热部4的作用是将半导体柱1的上下两侧所处环境的温度隔开，形成温度差，有利于实现半导体柱上的热电效应，促进半导体内载流子移动，处于隔热部4上侧设置一凹面镜8，所述凹面镜8上侧的半导体柱1的表面镀有一层所述吸热层3，处于隔热部4内部的半导体柱的底端连接所述半导体片2；所述半导体片2的底部设有所述导电部5，所述导电部5的两端分别设有所述第一电极61和第二电极62，导电部5的下侧铺设有所述绝缘基底7。
可选地，将所述半导体柱1和吸热层3置于所述凹面镜8的焦点处，这样有助于火焰产生的光辐射和热辐射聚焦在吸热层3的表面，使吸热层3更有效地吸收热量，更高效地加热半导体柱1，更有助于促进半导体柱1发生热电效应，更高效地使载流子移动，使导电部5的导电特性变化更明显，探测灵敏度更高。
实施例三
图3为本发明一实施例提供的另一种火焰探测装置的示意图，如图3所示，本实施例中一种火焰探测装置与实施例二基本相同，区别仅在于本实施例中的半导体片2设置于导电部5内部，其具体结构包括：半导体柱1、半导体片2、吸热层3、隔热部4、导电部5、第一电极61、第二电极62、绝缘基底7、凹面镜8。
所述半导体柱1竖直穿过所述隔热部4，隔热部4上侧设置一凹面镜8，所述凹面镜8上侧的半导体柱1的表面镀有一层所述吸热层3，处于隔热部4内部的半导体柱的底端连接所述半导体片2；所述半导体片2嵌入导电部5内部，图示为半导体片2嵌入到导电部5的上侧，在所述导电部5的两端分别设有所述第一电极61和第二电极62，导电部5的下侧为所述绝缘基底7。
可选地，半导体片2可以嵌入到导电部5的中间，半导体片2嵌入在导电部5中间，让导电部5完全包覆半导体片2，可以使载流子从导电部5的内部向导电部四周迁移，使导半导体片2更多地影响的导电部5的导电特性，使装置的探测灵敏度更高。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于热电效应的火焰探测装置，其特征在于，包括：半导体柱、半导体片、吸热层、隔热部、导电部、第一电极、第二电极、绝缘基底；
所述半导体柱竖直穿过所述隔热部，隔热部上侧的半导体柱的表面设有所述吸热层，所述隔热部内部的半导体柱的底端连接所述半导体片；
所述半导体片的下侧铺设有所述导电部，所述导电部的两端分别设有所述第一电极和第二电极，导电部的下侧设有所述绝缘基底。
2.根据权利要求1所述的火焰探测装置，其特征在于，所述半导体柱垂直设置于所述半导体片表面，且所述半导体片的宽度大于所述半导体柱的宽度。
3.根据权利要求2所述的火焰探测装置，其特征在于，所述吸热层的材质为黑铬材料。
4.根据权利要求3所述的火焰探测装置，其特征在于，所述吸热层与外界接触的表面为尖刺状。
5.根据权利要求4所述的火焰探测装置，其特征在于，在所述隔热部的上侧设置凹面镜，将所述带有吸热层的半导体柱置于凹面镜的焦点处。
6.根据权利要求4所述的火焰探测装置，其特征在于，所述导电部的材料为铁钴镍合金材料。
7.根据权利要求4所述的火焰探测装置，其特征在于，所述导电部的材料为多层石墨烯。
8.根据权利要求6或7所述的火焰探测装置，其特征在于，所述半导体片的下侧设置一些凸起，所述凸起嵌入所述导电部的内部。
9.根据权利要求8所述的火焰探测装置，其特征在于，所述半导体片设在所述导电部的内部。
10.根据权利要求1所述的火焰探测装置，其特征在于，所述半导体柱和所述半导体片的材料为砷化镓。
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2021
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20211026 |