-
Die
Erfindung betrifft einen Rauchmelder, der insbesondere in einer
Brandmeldeanlage verwendbar ist.
-
Rauchmelder
dienen zur Detektion von Rauch, um einen Brandfall frühzeitig
zu erkennen und ein entsprechendes Brandsignal auszugeben. Hierbei
sind insbesondere in öffentlichen
Gebäuden und
Firmengebäuden
oftmals mehrere Rauchmelder in einer Brandmeldeanlage aufgenommen.
Die Rauchmelder detektieren Rauch in den Räumen, Zuluft- oder Abluftschächten und
Fluren und geben Ausgangssignale entweder an eine interne Stelle
oder an eine externe Stelle, z. B. eine Feuerwehr. Ergänzend oder
alternativ zu den Rauchmeldern werden zum Teil auch Hitzemelder
verwendet, die die bei einem Brand entstehende Hitze detektieren.
-
Oftmals
wird eine ganze Gruppe von Meldern zu einer Linie zusammengeschaltet,
um den Kostenaufwand gering zu halten. Die verschiedenen Linien
werden direkt auf die Brandmeldezentrale geschaltet. Wenn ein Rauchmelder
in einer Linie ausgelöst
hat, wird in der Brandmeldezentrale ein entsprechendes Signal ausgegeben.
Der Benutzer, z. B. die Feuerwehr, kann anhand von Linienkarten
oder eines Displays die Position des Brandes ausfindig machen, wobei
die einzelnen Rauchmelder zum Teil ergänzend eine optische Warnanlage,
z. B. LED aufweisen, so dass einzelne Fehlfunktionen bis auf die
einzelnen Melder zurückverfolgt
werden können.
-
Bei älteren Systemen
sind in der Regel mehrere Rauchmelder oder Hitzemelder in Reihe
geschaltet und lassen einen definierten Strom zu. Bei Auslösen eines
Melders ändert
sich hierbei dessen Widerstand um einen vorgegebenen Wert, so dass diese Widerstandsänderung
als Brandmeldesignal erkannt werden kann. Bei einem Fehlverhalten
im Melder oder einem Bruch in der Zuleitung ändert sich der Strom um einen
Wert außerhalb
des Auslösebereichs,
so dass eine Störung
erkannt werden kann.
-
Bei
neueren Brandmeldeanlagen sind zum Teil Bussysteme vorgesehen, so
dass jeder Melder seine eigene Adresse besitzt und somit die Position des
Brandes direkt erkannt werden kann, ohne einzelne Linien abzusuchen.
-
Herkömmliche
Rauchmelder sind im Allgemeinen als I-Melder, optische Melder oder
Brandgasmelder ausgebildet. I-Melder sind Ionisationsmelder, die
durch den Rauch zusätzlich
entstehende Ionen detektieren und hierdurch Alarm auslösen. Der
radioaktive Anteil in den Meldern ist jedoch problematisch, da der
Rauchmelder hierdurch in der Entsorgung teuer und beim Transport
problematisch ist.
-
Optische
Rauchmelder verwenden Strahlung, insbesondere IR-Strahlung. Gelangt
Rauch in den Strahl zwischen einen Sende- und Empfangsteil, wird
der Empfang je nach Rauchdichte gedämpft. Je nach eingestellter
Alarmschwelle, die durch die Rauchdichte und Zeitdauer des geänderten
Signals festgelegt werden kann, löst der Rauchmelder Alarm aus.
-
Brandgasmelder
registrieren kleinste Spuren von Kohlenmonoxid, wobei wiederum über die
Einstellung definierter Schwellwerte ein Alarm ausgelöst werden
kann.
-
Derartige
herkömmliche
Rauchmelder sind in ihrer Herstellung relativ aufwendig und somit
kostspielig. Weiterhin treten bei der Herstellung baubedingte Variationen
auf, die zum Teil eine aufwendige Eichung auf Schwellwerte erfordern,
die bei jedem Rauchmelder separat zu erfolgen hat.
-
Der
erfindungsgemäße Rauchmelder
weist demgegenüber
einige Vorteile auf. Indem die Messeinrichtung eine mikromechanisch
ausgebildete Messstruktur eines Messchips aufweist, ist eine kostengünstige,
hochsensitive Lösung
möglich.
Hierbei können
aufgrund der standardisierten bekannten Prozesstechniken, insbesondere
der Ausbildung in Oberflächenmikromechanik
(OMM), weitgehend identische und baugleiche Messstrukturen hergestellt
werden, so dass die baubedingten Toleranzen gering sind.
-
Erfindungsgemäß können hierbei
unterschiedliche Messprinzipien angewendet werden. Zum einen ist
eine Detektion von CO2 in der Umgebungsluft möglich. Ergänzend kann auch die Konzentration
an Rauchpartikeln ermittelt werden. Bei diesem physikalischen Messprinzip
werden ein CO2-Sensor mit einer IR-Strahlungsquelle, z. B. einer
im Niederstrombereich betriebenen Glühwendel oder einer IR-LED,
sowie mikromechanisch ausgebildete IR-Strahlungsdetektoren und unterschiedliche Filtereinrichtungen
zur Auswahl verschiedener Wellenlängenbereiche verwendet. Die
IR-Strahlung wird durch
den Messraum geleitet, mit den unterschiedlichen Strahlungsfiltern
gefiltert und von den IR-Strahlungsdetektoren empfangen. Der Gehalt
an CO2 kann somit durch einen relativen Vergleich der Absorption
der IR-Strahlung in den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen
ermittelt werden. Die Detektion von Rauchpartikeln kann zusätzlich als
zeitliche Verschiebung beider Messsignale gegenüber früheren Messsignalen oder einem
vorgegebenen Referenzwert erfolgen.
-
Weiterhin
kann ein chemisches Messprinzip verwendet werden, bei dem der ohmsche
Widerstandswert einer dem Messraum ausgesetzten Widerstandseinrichtung
durch das CO2 und oder die Rauchpartikel verändert wird. Hierbei können z.
B. eine mikromechanisch ausgebildete dünne Schicht, z. B. Leiterschicht,
undotierte Siliziumschicht oder polykristalline Siliziumschicht,
verwendet werden. Das auf der Schicht haftende oder in diese eindringende
Gas bzw. die sich auf der Schicht ablagernden Rauchpartikel beeinflussen
hierbei den ohmschen Widerstand, dessen Änderung durch die Auswerteeinrichtung
ermittelt werden kann.
-
Erfindungsgemäß kann weiterhin
eine kapazitive Messung vorgenommen werden, indem ein Zwischenraum
zwischen Kondensatorplatten der mikromechanischen Messstruktur Teil
des Messraums bzw. mit dem Messraum verbunden ist und somit die Umgebungsluft
die Kapazität
beeinflusst. Die in der Umgebungsluft vorhandenen Rauchpartikel
verändern
hierbei das Dielektrikum des Kondensators. Es kann insbesondere
ein mikromechanisch ausgebildeter Kondensator mit einer Kammstruktur
verwendet werden, der als solches bereits bei Beschleunigungssensoren
bekannt ist und eine große
Fläche der
Kondensatorplatten ermöglicht.
-
Der
erfindungsgemäße Rauchmelder
kann sowohl – entsprechend
herkömmlichen
Systemen – in
einer Linie mit weiteren Rauchmeldern geschaltet sein als auch eine
Busschnittstelle für
einen Datenbus aufweisen. Weiterhin ist grundsätzlich auch die Verwendung
als Einzelgerät,
z. B. in einem Privathaushalt möglich,
so dass die Schnittstelle bzw. Ausgabeeinrichtung ein Warnsignal
für z.
B. eine optische oder akustische Warneinrichtung liefert.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
an einigen Ausführungsformen
erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Rauchmelders mit einer
physikalischen bzw. optischen Messeinrichtung mit mikromechanischer
Messstruktur,
-
2 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Rauchmelders gemäß einer
weiteren Ausführungsform
mit mikromechanisch ausgebildeter chemischer Messeinrichtung mit
ohmscher Widerstandseinrichtung,
-
3 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Rauchmelders gemäß einer
weiteren Ausführungsform
mit mikromechanisch ausgebildeter kapazitiver Messstruktur.
-
Ein
Rauchmelder 1 weist gemäß der ersten Ausführungsform
der 1 ein Substrat 2, z. B. eine Leiterplatte 2,
eine auf der Leiterplatte 2 befestigte IR-Lichtquelle 3,
z. B. eine im Niederstrombereich betriebene Glühwendel 3, zwei Filterplättchen 4a und 4b und
einen mikrostrukturierten Messchip 5 auf. Auf dem mikrostrukturierten
Messchip 5 sind zwei lichtempfindliche Messstrukturen 6a, 6b ausgebildet;
die Elemente 3, 4a, b, 5 und 6a,
b bilden hierbei eine optische Messeinrichtung 8. Die Filterplättchen 4a, 4b sind
im optischen Pfad zwischen der Lichtquelle 3 und den Messstrukturen 6a, 6b angeordnet;
sie können
z. B. in Fenster eines auf den Messchip 5 gesetzten Kappenchips
oder eines den Messchip 5 aufnehmenden Gehäuses geklebt
sein. Die Filterplättchen 4a, 4b weisen
im infraroten Wellenlängenbereich
unterschiedliche Absorptionscharakteristiken auf. Hierbei kann z.
B. das erste Filterplättchen 4a IR-Strahlung
IR lediglich in einem Wellenlängenbereich
von z. B. 4 μm
bis 5 μm
durchlassen, der für
die Absorption infraroter Strahlung durch CO2 relevant ist, und
das zweite Filterplättchen 4b IR-Strahlung IR in einem anderen
Wellenlängenbereich
bzw. Referenzwellenlängenbereich
durchlassen. Die von der IR-Lichtquelle 3 ausgesendete
IR-Strahlung IR tritt durch einen Messraum 7 zwischen der
Lichtquelle 3 und den Filterplättchen 4a, 46,
erfährt
dort in Abhängigkeit
der CO2-Konzentration und der Konzentration an Rauchpartikeln eine charakteristische
Absorption und gelangt nachfolgend durch die Filterplättchen 4a, 4b und
zu den Messstrukturen 6a, 6b.
-
Die
Messstrukturen 6a, 6b sind zumindest weitgehend
identisch ausgebildet, gleich dimensioniert und durch die Ausbildung
auf dem gleichen Substrat des Messchips 5 auch thermisch
gekoppelt. In Abhängigkeit
von der CO2-Konzentration und Konzentration an Rauchpartikeln ergeben
sich somit unterschiedliche Messsignale U1 und U2, wobei das zweite
Filterplättchen 4b eine
Referenzmessung zur Normierung des Messsignals des ersten Filterplättchens 4a ermöglicht;
hierzu können
z. B. Differenz- oder Relativwerte der beiden Messungen betrachtet werden.
Derartige Messprinzipien zur Bestimmung einer Gaskonzentration sind
als solche bekannt und werden daher hier nicht detaillierter beschrieben.
Erfindungsgemäß ist erkannt
worden, dass durch die Messanordnung ergänzend auch Rauchpartikel detektiert
werden können,
da diese eine Absorption nicht nur in kleinen Wellenlängenbereichen – wie es für einzelne
Gase charakteristisch ist – sondern
in größeren Wellenlängenbereichen
bzw. über
den gesamten Spektralbereich bewirken. Eine allgemeine Abschwächung der
Messsignale beider Messstrukturen 6a, 6b kann
somit einer Absorption durch Partikel und eine relative Abschwächung des
Messsignals U1 des ersten Filterplättchens 6a gegenüber dem
Messsignals U2 des zweiten Filterplättchens 6b einer erhöhten CO2-Konzentration
zugeordnet werden.
-
Die
Messstrukturen 6a, 6b können z. B. lichtempfindliche
Widerstände
(LDR) sein. Weiterhin können
z. B. auch Thermopile-Strukturen ausgebildet sein, bei denen auf
durch Unterätzen
des Chipsubstrates ausgebildeten Membranen miteinander kontaktierte
Leiterbahnen aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet und mit
einer IR-Strahlung absorbierenden Absorberschicht bedeckt sind.
Die Thermopile-Struktur erwärmt
sich somit bei Auftreffen von IR-Strahlung auf der Absorberschicht
im Bereich der Membran, die von dem Substratmaterial bzw. Bulkmaterial
weitgehend thermisch entkoppelt ist. Durch den Temperaturgradienten
gegenüber
den Leiterbahnbereichen im Substrat kann aufgrund unterschiedlicher
Seebeck-Koeffizienten der Leiterbahnmaterialien die Intensität der einfallenden
IR-Strahlung mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
-
Auf
dem Messchip 5 kann hierbei ein Kappenchip mittels einer
Sealglas-Verbindung
befestigt sein, so dass zwischen dem Messchip 5 und dem Kappenchip
ein Vakuumraum gebildet wird, in dem die beiden Messstrukturen 6a, 6b ausgebildet
sind.
-
Hierbei
können
die Filterplättchen 4a, 4b z. B.
auf der Oberseite des Kappenchips befestigt sein.
-
Die
Messsignale U1, U2 der Messstrukturen 6a, 6b werden
von einer Auswerteeinrichtung ausgelesen, die in der gezeigten Ausführungsform
der 1 durch einen Auswerte-ASIC 10 und einen nachfolgenden
Mikrocontroller 12 gebildet wird. Alternativ zu einem Auswerte-ASIC 10 kann
z. B. auch ein einfacher Differenzverstärker aus diskreten Bauelementen
vorgesehen sein. Der Auswerte-ASIC 10 oder Differenzverstärker und
der Mikrocontroller 12 können hierbei ebenfalls auf
dem Substrat 2 befestigt sein. Der Mikrocontroller 12 ist
mit einer Schnittstelle 14 versehen, die einen Anschluss
an einen Datenbus 16 der Brandmeldeanlage erlaubt. An den
Datenbus 16 sind weitere Rauchmelder 1 sowie eine
die Signale der Rauchmelder 1 aufnehmende Brandmeldezentrale 18 vorgesehen.
-
Der
Auswerte-ASIC 10 nimmt die Messsignale U1, U2 der Messstrukturen 6a, 6b,
d.h. z. B. bei Verwendung von LDRs als Messstrukturen 6a, 6b an diesen
abfallende Spannungen oder, bei Verwendung von Thermopile-Strukturen
als Messstrukturen 6a, 6b, die erzeugten Thermospannungen
auf und wertet sie aus. Die Auswertung erfolgt z. B. über einen
Differenzvergleich der beiden durch die Messstrukturen 6a, 6b gebildeter
Widerstandselemente und gegebenenfalls einen zusätzlichen Vergleich mit Referenzwerten
oder Messwerten vorheriger Messungen; hierdurch kann auf die CO2-Konzentration und
gegebenenfalls die Konzentration der Rauchpartikel 9 in
der in dem Messraum 7 aufgenommenen Luft geschlossen werden.
-
Die
Ausgangssignale des Auswerte-ASICs 10 bzw. Differenzverstärkers werden
vorteilhafterweise nachfolgend von einen Mikrocontroller 12 aufgenommen
und ergänzend
ausgewertet, woraufhin der Mikrocontroller 12 über die
Schnittstelle 14 entsprechende Signale an die Brandmeldezentrale 18 ausgibt.
Hierzu kann z. B. auch überprüft werden,
ob der Rauch über
einen Zeitraum detektiert wird, der eine vorgegebene Mindestdauer überschreitet.
Bei Erkennen eines Brandfalls wird entsprechend ein Brandsignal
F ausgegeben. Bei Verwendung eines Auswerte-ASICs 10 kann
der Mikrocontroller 12 grundsätzlich auch entfallen, wenn
anstelle eines Datenbusses 16 einfache elektrische Leitungen
zur Brandmeldezentrale 18 verlegt werden. Hierbei können z.
B. – in an
sich bekannter Weise – mehrere
Rauchmelder 1 in einer Linie zusammengeschaltet sein, z.
B. in Reihenschaltung, die in Abhängigkeit von dem ermittelten
Zustand ihren ohmschen Widerstand verändern.
-
Vorteilhafterweise
sind die Lichtquelle 3, Filterplättchen 4a, 4b und
der Messchip 5 mit den Messstrukturen 6a, 6b in
einem Gehäuse
vorgesehen, das durch das Substrat 2 und einen aufgesetzten
Deckel gebildet wird, wobei die Lichtquelle 3 und der Messchip 5 an
entgegengesetzten Enden des Gehäuses
angeordnet sein können,
so dass der Messraum 7 hinreichend groß ist. Der Messraum ist durch
entsprechende Öffnungen
im Gehäuse
mit dem Außenraum
verbunden, um die Umgebungsluft detektieren zu können. Ergänzend können Spiegel- bzw. Reflektoreinrichtungen
vorgesehen sein, um den optischen Pfad im Messraum 7 zu
vergrößern. Die
Reflektoreinrichtungen können
auch eine bündelnde
Wirkung zur Erhöhung
des Signals aufweisen. Hierzu kann z. B. der aufgesetzte Deckel
innen verspiegelt sein.
-
Bei
der Ausführungsform
der 2 weist der Rauchmelder 1 anstelle der
optischen Messeinrichtung 8 eine chemische Messeinrichtung 20 mit
einer als Widerstandseinrichtung dienenden Heizwendel 22 auf,
die wiederum mikromechanisch auf einem Messchip 5 ausgebildet
ist. Hierbei ist die Heizwendel 22 in einem oberhalb des
Messchips 5 gebildeten Messraum 7 vorgesehen,
der wiederum mit dem Außenraum
verbunden ist. Die Heizwendel 22 verändert je nach Gasen und/oder
Partikeln der Luft im Messraum 7 ihren Widerstandswert.
Die unterschiedlichen Gase und Partikel setzen sich auf der Oberfläche 22a der
Heizwendel 22 ab und verändern so deren ohmschen Widerstand.
Diese Veränderung
wird über
die abfallende Messspannung U1 als Messsignal von dem Auswerte-ASIC 10 detektiert
und von dem ASIC 10 und/oder dem Mikrocontroller 12 ausgewertet.
Anstelle des Auswerte-ASIC 10 können wiederum auch diskrete
Bauelemente wie z. B. Differenzverstärker vorgesehen sein. Die Widerstandseinrichtung 22 kann
statt als Heizwendel auch z. B. als Leiterabschnitt, oder aus undotiertem
Silizium, gegebenenfalls auch polykristallinem Silizium gefertigt
sein. Indem die Widerstandseinrichtung 22 als ein oder
mehrere (parallel oder in Reihe geschaltete) dünne Schicht(en) ausgebildet
ist, ergibt sich eine hohe relative Oberfläche, so dass durch Absorption von
CO2 und/oder Partikeln auftretende Effekte eine größere relative Änderung
des Messsignals, d.h. der an der Widerstandseinrichtung 22 abfallenden
Messspannung U1, bewirken. Die Ausbildung von dünnen Schichten durch OMM ist
hierbei hinreichend bekannt und wird daher hier nicht detaillierter
beschrieben.
-
Grundsätzlich ist
es erfindungsgemäß hierbei
möglich,
dünne Schichten
aus unterschiedlichen Materialien auszubilden, die unterschiedliches
Absorptionsverhalten für
CO2 und Rauchparikel 9 aufweisen, und deren Widerstandsänderungen
miteinander zu vergleichen. Hierdurch kann zum einen die Messgenauigkeit
erhöht
werden und zum anderen gegebenenfalls eine Differenzierung der Änderung des
Messsignals auf CO2 und Rauchpartikel erfolgen.
-
Bei
der Ausführungsform
der 3 ist eine kapazitive Messeinrichtung 23 vorgesehen,
die einen auf dem Messchip 5 ausgebildeten Kondensator 24 aufweist.
Der Messraum 7 ist hierbei zwischen den Kondensatorplatten 24a, 24b des
Kondensators 24 gebildet und bildet somit dessen Dielektrikum.
-
Der
Kondensator 24 ist erfindungsgemäß wiederum mikromechanisch
realisiert, wobei die Kondensatorplatten 24a, 24b vorteilhafterweise
in einer Kammstruktur ausgebildet sind, so dass eine hohe Fläche und
eine hohe Kapazität
zur Erzielung eines hohen Messsignals ausgebildet werden. Auch bei
dieser Ausführungsform
hat der zwischen den Kondensatorplatten 24a, 24b gebildete
Messraum 7 eine Verbindung zum Außenraum, damit der Rauch im
Außenraum
bzw. der Umgebungsluft detektiert werden kann.
-
Bei
Raucheinwirkung gelangen Rauchpartikel 9 zwischen die Kondensatorplatten 24a, 24b,
wodurch sich die sich die Dielektrizitätskonstante des Kondensators 24 und
somit auch die Gesamtkapazität
C verändern.
Diese Änderung
wird mittels eines in dem Auswerte-ASIC 10 ausgebildeten
Ladungs-/Spannungswandlers erfasst und in dem Auswerte-ASIC 10 weiterverarbeitet.
Hierzu können
gegebenenfalls weitere Logikteile für die Bewertung des Messsignals
in dem Auswerte-ASIC 10 vorgesehen sein, wobei die Weiterverarbeitung
der gemessenen Werte in dem Mikrocontroller 12 erfolgen
kann.