DD218187A1 - DETECTOR FOR THE DETECTION OF GASES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Detektor zum Nachweis von Gasen und bezieht sich auf das Gebiet der Sicherheitstechnik. Das Ziel der Erfindung ist es, einen Detektor mit geringer Leistungsaufnahme zu schaffen, der Gase ueber die Leitfaehigkeitsaenderung von Halbleitermaterialien nachweisen kann, ohne das Halbleitermaterial elektrisch aufheizen zu muessen und der somit ohne langfristige Einlaufvorgaenge arbeitet und universell einsetzbar ist. Das Wesen der Erfindung besteht darin, das Halbleitermaterial in einer ionisierten Gasatmosphaere und in einem elektrischen Feld so anzuordnen, dass es gleichzeitig Widerstandselement einer Auswerteschaltung und Teil der Anordnung zur Erzeugung des elektrischen Feldes ist. Derartige Detektoren koennen zur kontinuierlichen Ueberwachung und fruehzeitigen Erkennung brennbarer, explosibler oder toxischer Gase eingesetzt werden. Fig. 1The invention relates to a detector for the detection of gases and relates to the field of safety engineering. The object of the invention is to provide a detector with low power consumption, which can detect gases over the Leitfaehigkeitsaenderung of semiconductor materials without having to electrically heat the semiconductor material and thus operates without long-term Einlaufvorgaenge and is universally applicable. The essence of the invention is to arrange the semiconductor material in an ionized gas atmosphere and in an electric field so that it is at the same time a resistance element of an evaluation circuit and part of the arrangement for generating the electric field. Such detectors can be used for continuous monitoring and early detection of flammable, explosive or toxic gases. Fig. 1
Description
Titel der Erfindung Title of the invention
Detektor zum Nachweis von GasenDetector for the detection of gases
Anwendungsgebiet der Erfindung Area of application of the invention
Detektoren dieses Typs finden in der Sicherheitstechnik Anwendung« Sie werden für die kontinuierliche Überwachung und frühzeitige Erkennung brennbarer, explosibler oder toxischer Gase eingesetzt. Diese Detektoren können aber auch zur Messung der Konzentration der genannten Gase in Gasgemischen verwendet werden· . ;. ."·". ' ' ' ' . ;Detectors of this type are used in safety technology «They are used for the continuous monitoring and early detection of flammable, explosive or toxic gases. However, these detectors can also be used to measure the concentration of said gases in gas mixtures. ;. . "·". '' ''. ;
,Charakteristik der bekannten technischen Lösungen , Cha rakte ristik of the known technical solutions
Es ist allgemein bekannt, daß durch Reduktion und Oxydation die Leitfähigkeit halbleitender Verbindungen verändert wird. Bekannte Detektoren arbeiten insbesondere mit halbleitenden Metalloxyden, die in Form yon Sinterkörpern Verwendung finden» Durch elektrische Aufheizung (thermische Stimulierung) des Halbleitermaterials auf mehrere 100 C findet bei Anwesenheit oxydierbarer Gase eine Reduktion des Halbleitermaterials statt· Die damit erzielbare Leitfähigkeitsänderung wird zum Nachweis dieser Gase verwendet.It is well known that the conductivity of semiconducting compounds is altered by reduction and oxidation. Known detectors work in particular with semiconducting metal oxides which are used in the form of sintered bodies. By electrical heating (thermal stimulation) of the semiconductor material to several 100 C, a reduction of the semiconductor material takes place in the presence of oxidizable gases. The conductivity change that can be achieved is used to detect these gases ,
Nachteilig ist die erforderliche elektrische Aufreizung und die damit im Zusammenhang stehende, aufwendige Rückführung des Halbleitermaterials nach Belastungen bzw, Unterbrechungen in den für weitere Messungen erforderlichen Ausgangszustand (z.B.- einigeA disadvantage is the required electrical excitation and the related, complicated recycling of the semiconductor material after loads or interruptions in the initial state required for further measurements (e.g.
Tage Einlaufzeit). Siehe ζ·Ββ Prospekt '»Gasempfindlicher Halbleitersensor TGS" der Fa- Figaro engineering Ine,, Japan, die DE-OS 2535059 "Meßzelle zur Bestimmung von Sauerstoffkonzentrationen in einem Gasgemisch" sowie "Ex-Warngerät" (Sensoren mit Leitfähigkeitsänderung halbleitender Materialien) Drägerwerke AG Lübeck·Days of running time). See ζ · Β β brochure '»Gas Sensitive Semiconductor Sensor TGS« - Figaro engineering Ine ,, Japan, DE-OS 2535059 "Measuring cell for the determination of oxygen concentrations in a gas mixture" and "Ex-warning device" (sensors with conductivity change of semiconducting materials) Drägerwerke AG Lübeck ·
Ziel der Erfindung f · The aim of the invention f ·
Ziel der Erfindung ist es, die bei Detektoren mit Leitfähigkeitsänderung von Halbleitermaterialien notwendige thermische Stimulierung chemischer Reaktionen durch elektrische Aufheizung auf hohe Temperaturen und den erforderlichen Aufwand zur Herstellung des Ausgangszustandes für weitere Messungen zu beseitigen· Es galt einen mit geringer Leistungsaufnahme arbeitenden, umfassend einsetzbaren, einfachen Detektor zu schaffen, der ZeB„ auch in Ionisätionsfeuermeldern und batteriebetriebenen Gasdetektoren Verwendung finden kann«The aim of the invention is to eliminate the necessary for detectors with conductivity change of semiconductor materials thermal stimulation of chemical reactions by electrical heating to high temperatures and the required effort to produce the initial state for further measurements · It was a low power consuming, extensively usable, simple Detector that can be used "in ionizing fire alarms and battery operated gas detectors"
Darlegung des Wesens der Erfindung; Explanation of the nature of the invention;
Die Erfindung löst die Aufgabe einen Detektor zum nachweis von Gasen zu schaffen, ' der die nachstehenden Mangel beseitigt* Die für die Leitfähigkeitsänderung an Halbleitermaterialien erforderlichen chemischen Reaktionen zwischen Gas und Halbleiter findenvbei Raumtemperatur nur in einem solchen geringen Umfang statt, daß die durch sie bewirkte Leitfähigkeitsänderungv nicht nachweisbar ist, insbesondere nicht für den Nachweis einer geringen Gaskonzentration· Es ist deshalb erforderlich, dem Halbleitermaterial Energie zuzuführen, um die Reaktion in ausreichendem Mäße ablaufen zu lassen· Die durch elektrische Heizung zugeführte Energie und die damit verbundene Erhöhung der Temperatur auf mehrereΊ00 0C verändert den Zustand des Halbleitermaterials gegenüber einer vorausgehenden Lagerung bei Raumtemperatur· Die Inbetriebnahme erfordert deshalb' Maßnahmen zur Berücksichtigung von Ausgleichsvorgängen*The invention achieves the object * required for the change in conductivity of semiconductor materials chemical reactions between gas and semiconductor findenvbei room temperature only in such a small amount rather than to provide a detector for the detection of gases' which eliminates the following defect that caused by them conductivity change v is not detectable, in particular for the detection of a low gas concentration · It is therefore necessary to supply energy to the semiconductor material in order to make the reaction proceed sufficiently Maesse · the supplied by electrical heating energy and the concomitant increase in temperature to mehrereΊ00 0 C changes the state of the semiconductor material compared to a previous storage at room temperature. Commissioning therefore requires measures for the consideration of compensation processes.
Die große Abhängigkeit der Leitfähigkeit des Detektormaterials von der Temperatur erfordert stabile Heizspannungen und besondere Vorkehrungen bei der Anwendung von Brückenschaltungen* Der universelle Einsatz dieser Halbleitersensoren als Bestandteil von lonisationsfeueriueldern und ihr Einsatz in batteriebetriebenen Gasdetektoren verbietet sich wegen der hohen Leistungsaufnahme (Gasdetektor: # 1 W, moderne Ionisationsfeuermelder: /uW bis mW). ,The high dependence of the conductivity of the detector material on the temperature requires stable heating voltages and special provisions for the use of bridge circuits * The universal use of these semiconductor sensors as part of ionisationsfeuereldeldern and their use in battery-powered gas detectors prohibits because of the high power consumption (gas detector: # 1 W, modern ionization fire alarms: / uW to mW). .
Die Merkmale der Erfindung bestehen erfindungsgemäß darin, daß das Halbleitermaterial in einer ionisierten Gasatmosphäre und in einem elektrischen Feld angeordnet ist wobei das Halbleitermaterial gleichzeitig Widerstandselement in einer Auswerteschaltung und Elektrode in der Anordnung zur Erzeugung des elektrischen Feldes ist·According to the invention, the features of the invention are that the semiconductor material is arranged in an ionized gas atmosphere and in an electric field, wherein the semiconductor material is at the same time a resistance element in an evaluation circuit and an electrode in the arrangement for generating the electric field.
Die ionisierte Gasatmosphäre wird dabei durch eine oder mehrere tf- oder β -Strahlenquellen erzeugt und die direkte Einwirkung der ot «Strahlung auf die Halbleiteroberfläche durch eine Blende vermieden. Das Halbleitermaterial kann dabei in Form dünner Schichten von Metalloxyden z.B# einer dünnen Sn0o~Schicht auf · der Oberfläche einer Glasfaser oder in Form eines drahtförmigeri Sinterkörpers eingesetzt sein»The ionized gas atmosphere is generated by one or more tf or β- ray sources and the direct effect of the ot radiation on the semiconductor surface is avoided by a diaphragm. The semiconductor material can be for example a thin Sn0 # o ~ layer used in the form of thin layers of metal oxides on the surface of · a glass fiber or in the form of a sintered body drahtförmigeri "
Vorteilhaft ist die Unterbringung des Gasdetektiprissystems bestehend aus Halbleitermaterial, umgebender ionisierter Gasatmosphäre und elektrischem Feld in einem gesockelten Gehäuse· Die Gehäuseöffnungen sind dabei so angeordnet, daß die Gase Zutritt zum Gasdetektionssystem haben, der Austritt der <* - oderAdvantageously, the accommodation of the Gasdetektiprissystems consisting of semiconductor material, surrounding ionized gas atmosphere and electric field in a capped housing · The housing openings are arranged so that the gases have access to the gas detection system, the exit of the <* - or
β -Strahlung jedoch vermieden wird. Die Elektrode kann auch als Gehäuse ausgebildet sein* However, β- radiation is avoided. The electrode can also be designed as a housing *
Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden» In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig« 1 den Detektor in Verbindung mit einer Auswerteschaltung· " Fig. 2 eine konstruktive Gestaltung des Detektors·The invention will be explained in more detail below with reference to two exemplary embodiments. In the accompanying drawing, FIG. 1 shows the detector in conjunction with an evaluation circuit. FIG. 2 shows a structural design of the detector.
In Fig* 1 ist das Halbleitermaterial 1 ein Widerstandselement in einer einfachen Brückenschaltung, die mit der Betriebsspannung U-Q betrieben wird. Das Halbleitermaterial 1 befindet • sich in der Achse einer zylinderförmig.en Elektrode 2, Zwischen Halbleitermaterial 1 und Elektrode 2 wird durch die angelegte Betriebsspannung tL·, ein elektrisches Feld erzeugt» Damit ist das Halbleitermaterial 1 auch Elektrode des elektrischen Feldsystems, An der Innenfläche der zylinderförmigen Elektrode 2 ist eine β -Strahlenquelle 3 aus Ni ^ angebracht, die die Gasatmosphäre 4 um das Halbleitermaterial 1 ionisiert. Bei Abwesenheit nachzuweisender Gase ist die Brückenschaltung auf tL· =3 0 abgeglichen. Treten nachzuweisende Go.se in die ionisierte Gasatmosphäre 4 ein, werden sie durch die Strahlung ionisiert, in aktivierte, reaktionsfreudige Bestandteile gespalten und durch das elektrische Feld in Richtung Oberfläche des Halbleitermaterials 1 beschleunigt und konzentriert« Die zur Leitfähigkeit s änderung erforderliehe Reduktions-Oxydations Reaktion an der Oberfläche des Halbleitermaterials 1 findet ohne elektrische Aufheizung des Halbleitermaterials 1 statt« Die Aktivierung des nachzuweisenden Gases durch die Einwirkung der Strahlung in Kombination mit dem elektrischen Feld erfolgt im Vergleich zur thermischen Stimulierung durch elektrische Aufheizung nahezu leistungslos« Komplizierte Einlaufeffekte bzw. lange Einlaufzeiten sind durch den Wegfall der elektrischen Aufheizung nicht mehr zu berücksichtigen. In Fig. 2 ist ein De-In FIG. 1, the semiconductor material 1 is a resistance element in a simple bridge circuit which is operated with the operating voltage UQ. The semiconductor material 1 is located • in the axis of a cylindrical electrode 2, between the semiconductor material 1 and electrode 2 is generated by the applied operating voltage tL ·, an electric field »Thus, the semiconductor material 1 is also electrode of the electric field system, on the inner surface of the cylindrical electrode 2, a β- ray source 3 made of Ni ^ is attached, which ionizes the gas atmosphere 4 around the semiconductor material 1. In the absence of gases to be detected, the bridge circuit is adjusted to tL · = 3 0. If Go.se to be detected enter the ionized gas atmosphere 4, they are ionized by the radiation, split into activated, reactive components and accelerated and concentrated by the electric field in the direction of the surface of the semiconductor material 1. The reduction oxidation reaction required for the conductivity change The activation of the gas to be detected by the action of the radiation in combination with the electric field takes place in comparison to the thermal stimulation by electric heating almost powerless "complicated Einlaufeffekte or long run-in times are no longer to be taken into account by eliminating the electrical heating. In Fig. 2 is a De
24.124.1
tektor mit O^ -Strahlenquelle 5 aus Am ^ dargestellt. Das Halbleitermaterial 1 aus SnO„ befindet sich als dünne Oberflächenschicht auf einer Glasfaser 7 in der Achse einer zylinderförmigen Elektrode 2« Vor der Oi -Strahlenquelle 5 ist eine Blende 9 aus nicht leitendem Material so angebracht, daß die o( -Strahlen die Halbleiteroberfläche nicht treffen können, weil diese, im Strahlenschatten 6 liegt. Damit ,werden irreversible Leitfähigkeitsänderungen vermieden. Durch die Öffnungen 10 des mit einem Sockel 8 versehenen Gehäuses ti können Gas'e in das Gasdetektionssystem eintreten, die U. «Strahlung jedoch nicht hinausgelangen, weil die Öffnungen 10 durch die Elektrode 2 verdeckt und außer-shown with O ^ -radiation source 5 from Am ^. The semiconductor material 1 made of SnO.sub.2 is as a thin surface layer on a glass fiber 7 in the axis of a cylindrical electrode 2. In front of the Oi radiation source 5, a shutter 9 made of nonconductive material is mounted so that the o.sup. Rays do not strike the semiconductor surface can, because this is located in the beam shade 6 Thus, irreversible changes in conductivity can be avoided. through the openings 10 of the equipped with a base 8 housing ti Gas'e may enter the gas detection system, but not beyond reach U. "radiation because the openings. 10 obscured by the electrode 2 and except
halb der ionisierten GasatmoSphäre 4 angeordnet sind· Der Durchmesser der Glasfaser 7 ist so gering, daß durch die Anordnung in der Achse der zylinderförmigen Elektrode 2 das elektrische Feld, an der Oberfläche des Halbleitermaterials 1, auch bei mit niederspannung betriebenen Detektor, sehr hoch ist«. - :.' ..- ;. . .' .' ' ' ' In der Umgebung des Halbleitermaterials 1 finden dadurch energiereiche Stöße zwischen Ionen und Molekülen statt. Insbesondere erfahren die so angeregten und ionisierten Bestandteile des nachzuweisenden Gases auf der Strecke der letzten freien Weglänge eine die Reaktion fördernde Beschleunigung.The diameter of the glass fiber 7 is so small that the arrangement in the axis of the cylindrical electrode 2 makes the electric field at the surface of the semiconductor material 1 very high, even with a low-voltage detector. , -: ' ..-;. , . ' . ' As a result, high-energy collisions between ions and molecules take place in the vicinity of the semiconductor material 1. In particular, the excited and ionized constituents of the gas to be detected experience, on the route of the last free path, an acceleration promoting the reaction.
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