-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Gasen und der Umgebungstemperatur,
bei dem wenigstens ein Gassensorelement mit wenigstens einem integrierten
Heizelement verwendet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein
Gassensorelement mit wenigstens einem integrierten Heizelement. Schließlich betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Branddetektion, bei dem ein Gassensorelement
verwendet wird, das auf einem Feldeffekttransistoraufbau basiert,
sowie einen Mehr-Kriterien-Branddetektor
mit wenigstens einem Gassensorelement, das auf Feldeffekttransistoraufbau
basiert.
-
Die
automatisierte Detektion von Bränden mittels
autarker Brandmelder erlangt einen stetig wachsenden Stellenwert.
Wichtige Anwendungsgebiete sind beispielsweise Wohngebäude und
Geschäftsgebäude, aber
auch in Flugzeugen und Schiffen. Seit langer Zeit werden in Brandmeldern
Streulichtdetektoren eingesetzt. Diese erkennen an Hand der Streuung
von Licht, ob Russteilchen in der Luft vorhanden sind. Seit einiger
Zeit werden auch zunehmend Gassensoren ergänzend in Brandmeldern verwendet.
Dies hat eine Reihe von Vorteilen. So können Gassensoren eine Reihe
von brandbegleitenden Gasen aufspüren. Damit können manche
Brände,
die nur wenig Ruß verursachen,
wesentlich früher
detektiert werden, als dies mit einem Streulichtdetektor allein
möglich
wäre. Weiterhin
können
Fehlalarme, die im Streulichtdetektor durch anderweitige Partikel
und Aerosole entstehen, vermieden werden, da der Gassensor auf solche
nicht reagiert.
-
Ein
weiteres Kriterium, das in einem sogenannten Mehrkriterienmelder
berücksichtigt
werden kann, ist die Umgebungstemperatur. Auch die Berücksichtigung
der Umgebungstemperatur erlaubt bei bestimmten Typen von Bränden eine
frühere und/oder
sicherere Detektion.
-
Insgesamt
ist es für
die Sicherheit der Branddetektion und ihrer Geschwindigkeit von
Vorteil, möglichst
viele Kriterien, die zweckmäßig voneinander möglichst
unabhängig
sind, zu berücksichtigen.
Da aber in Gebäuden
oder Flugzeugen eine große
Zahl solcher Brandmelder zum Einsatz kommt, unterliegt der einzelne
Brandmelder einigen Randbedingungen bzgl. seines Aufbaus. Eine solche
Randbedingung ist der Preis für
einen einzelnen Brandmelder, eine weitere Randbedingung ist der
Leistungsverbrauch. Diese beiden Randbedingungen verhindern, dass
eine große
Zahl einzelner Sensoren in jedem der Brandmelder verwendet wird,
da jeder Sensor gewisse Kosten verursacht und eine gewisse elektrische
Leistung benötigt.
Zusätzlich
verursacht eine hohe Zahl an Sensoren einen erhöhten Aufwand bei der Auswertung
der Sensorsignale.
-
Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein Verfahren zum
Betrieb eines Gassensorelements sowie ein Gassensorelement anzugeben, die
eine verbesserte Auswahl an Kriterien, d. h. Messsignalen zur Verfügung stellen.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
Weiterhin wird die Aufgabe bzgl. des Gassensorelements durch ein
Gassensorelement mit den Merkmalen von Anspruch 6 gelöst. Weitere
Lösungen
bestehen in dem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 14 und
den Mehrkriterienbranddetektor mit den Merkmalen von Anspruch 15.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Detektion von Gasen und Umgebungstemperatur wird wenigstens
ein Gassensorelement mit wenigstens einem integrierten Heizelement
verwendet. Das Gassensorelement wird dazu verwendet, Gase zu detektieren,
während
das Heizelement in ersten Zeitabschnitten verwendet wird, um das
Gassensorelement zu beheizen und in zweiten Zeitabschnitten, um die
Umgebungstemperatur zu messen. Dabei ist es zweckmäßig oder
bei bestimmten Typen von Heizelementen sogar notwendig, dass das
Gassensorelement in den zweiten Zeitabschnitten von dem Heizelement,
das der Messung der Umgebungstemperatur dient, nicht beheizt wird.
-
Das
erfindungsgemäße Gassensorelement zur
Detektion von Gasen und Umgebungstemperatur weist wenigstens ein
integriertes Heizelement auf und ist weiterhin ausgestaltet, das
erfindungsgemäße Verfahren
auszuführen.
-
In
einem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren
zur Branddetektion oder Luftgütemessung unter
Berücksichtigung
wenigstens zweier Messgrößen wird
wenigstens ein Gassensorelement verwendet, das auf einem Feldeffekttransistoraufbau
basiert. Das Gassensorelement wird unbeheizt betrieben und Einflüsse der
Umgebungstemperatur auf das Gassensorelement werden mittels eines
im Gassensorelement integrierten Temperatursensors kompensiert.
Erfindungsgemäß wird nun
das Signal des Temperatursensors als weitere Messgröße für die Branddetektion
oder Luftgütemessung
verwendet, neben dem Signal des Gassensorelements.
-
Das
alternative erfindungsgemäße Verfahren
zur Branddetektion wird in einem alternativen erfindungsgemäßen Mehr-Kriterien-Branddetektor verwendet,
der weiterhin wenigstens ein Gassensorelement enthält, das
auf einen Feldeffekttransistoraufbau basiert und einen integrierten
Temperatursensor zur Kompensation von Einflüssen der Umgebungstemperatur
aufweist.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt also unter Verwendung eines Gassensorelements
neben dessen eigentlichen Messergebnissen, d. h. beispielsweise
Gaskonzentrationen, eine weitere Messgröße zur Verfügung, nämlich die Umgebungstemperatur des
Gassensorelements. Die Umgebungstemperatur kann vorteilhaft beispielsweise
in einem Brandmelder als zusätzliches
Kriterium berücksichtigt
werden, um eine schnellere und/oder bessere Branddetektion zu ermöglichen.
Es ist aber auch möglich,
die Erfindung an anderer Stelle vorteilhaft einzusetzen, beispielsweise
im Rahmen der Luftgüteüberwachung
eines Klimatisierungssystems, beispielsweise in einer Gebäude-, PKW
oder Flugzeugklimaanlage. Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis,
dass bei bestimmten Typen von Gassensorelementen eine integrierte
Möglichkeit
zur Bestimmung der Umgebungstemperatur zur Verfügung steht, die jedoch gemeinhin
nicht genutzt wird.
-
Wenn
die Erfindung mit einem zeitweise beheizen Gassensor verwendet wird,
ist zu beachten, dass die Temperatur im Gehäuse, in dem sich das Sensorelement
befindet, aufgrund des Energieeintrages durch die Beheizung über der
Umgebungstemperatur liegt. Diese Temperaturdifferenz wird in realistischen
Anwendungsfällen
in der Größe weniger Grad
C liegen und im wesentlichen konstant sein. Eine Signalauswertung
kann daher die gemessene Temperatur um diesen Wert verringern, um
die reale Umgebungstemperatur zu bestimmen.
-
Ein
Beispiel für
ein solches Gassensorelement ist ein mikromechanisch hergestellter
Gassensor, beispielsweise auf der Basis eines halbleitenden Metalloxides.
Derartige Gassensoren werden gewöhnlich
bei Temperaturen des Metalloxides von mehr als 150°C betrieben,
um eine ausreichend starke und schnelle Gasreaktion und damit ein
brauchbares Sensorsignal zu erhalten. Daher benötigten diese Sensoren eine
Beheizung. Diese kann beispielsweise über einen mäanderförmig ausgeführten Heizwiderstand, beispielsweise
aus Platin, realisiert werden. Erfindungsgemäß wird nun vorgesehen und ausgenutzt,
dass das Gassensorelement in bestimmten, zweiten Zeitabschnitten
nicht beheizt wird. In diesen zweiten Zeitabschnitten kühlt das
Gassensorelement zumindest weitgehend auf die Umgebungstemperatur
ab. Das Heizelement, beispielsweise der Platinwiderstand, wird nun
in diesen zweiten Zeitabschnitten verwendet, die Umgebungstemperatur
zu bestimmen.
-
Weiterhin
beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass auch ein Gassensorelement,
das auf einem Feldeffekttransistoraufbau basiert, beispielsweise
ein sogenannter GasFET, verwendet werden kann, wenn er einen integrierten
Temperatursensor aufweist. Der integrierte Temperatursensor wird
bei diesem Typ von Gassensoren typischerweise verwendet, um Einflüsse der
Umgebungstemperatur auf das Gassensorelement, das in der Re gel unbeheizt betrieben
wird, kompensieren zu können.
Erfindungsgemäß wird nun
das Signal des Temperatursensors auch außerhalb des eigentlichen Gassensorelementes
als zweites Kriterium zur Branddetektion verwendet.
-
Bevorzugt
wird das Gassensorelement sowohl in den ersten als auch in den zweiten
Zeitabschnitten zur Detektion von Gasen verwendet. Hierdurch ist
es möglich,
kontinuierlich Messwerte des Gassensorelements zu erhalten.
-
In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wechseln die ersten
und zweiten Zeitabschnitte einander ab, wobei die ersten Zeitabschnitte
kürzer als
eine Sekunde gewählt
werden. Dadurch wird zum einen erreicht, dass vorteilhaft die ersten
Zeitabschnitte, in denen das Heizelement verwendet wird, kurz sind.
Das senkt den Leistungsverbrauch des Gassensorelements. Weiterhin
folgt dann auf jeden ersten Zeitabschnitt direkt oder indirekt,
d. h. mit oder ohne zeitlichen Abstand ein zweiter Zeitabschnitt.
Da in den zweiten Zeitabschnitten die Umgebungstemperatur bestimmt
werden kann, ist auch eine Bestimmung der Umgebungstemperatur relativ
häufig
möglich.
-
Zweckmäßig ist
es dabei, die zweiten Zeitabschnitte wenigstens doppelt so lang
zu wählen
wie die Abkühlzeit
des Heizelements auf die Umgebungstemperatur. Hierdurch wird der
Umgebungstemperatur und dem Gassensorelement die Zeit gegeben, vollständig auf
die Umgebungstemperatur abzukühlen.
Dies ermöglicht
eine genaue Messung.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich vorteilhaft
bei der Branddetektion einsetzen, in dem die Branddetektion unter
Berücksichtigung
wenigstens von Signalen des Gassensorelements und der Umgebungstemperatur
als Messgrößen durchgeführt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Heizelement und damit das
Gassensorelement eine möglichst
geringe Abkühlzeit
aufweist. Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn das Heizelement
eine Abkühlzeit
von weniger als 100 ms aufweist. In diesem Fall ist es möglich, die
Dauer der zweiten Zeitabschnitte sehr frei zu wählen, und beispielsweise schon
nach wenig mehr als 100 ms innerhalb der zweiten Zeitabschnitte
die Umgebungstemperatur des Gassensors zu messen. Auch steigt hierdurch die
Genauigkeit der Messung der Umgebungstemperatur.
-
Hierzu
ist es beispielsweise zweckmäßig, wenn
sich zumindest ein beheizungswesentlicher Teil des Heizelements
auf einer mikromechanisch hergestellten Membran mit einer Dicke
von beispielsweise weniger als 100 μm befindet. Ein solcher Aufbau
sorgt zum einen für
sehr geringe Abkühlzeiten, aber
auch insgesamt für
eine geringe Leistungsaufnahme des Gassensorelements.
-
Das
erfindungsgemäße Gassensorelement lässt sich
vorteilhaft in einem Mehr-Kriterien-Branddetektor verwenden, der
eine Branddetektion unter Berücksichtigung
wenigstens zweier Messgrößen durchführt.
-
Als
Gassensorelement kommt für
die Erfindung nicht nur der bereits erwähnte Halbleiter-Gassensor in
Betracht, sondern auch andere Typen von Gassensorelementen, die
ein Heizelement aufweisen. Das Heizelement muss dabei lediglich
prinzipiell in der Lage sein, die Temperatur des Gassensorelements
wiederzugeben, beispielsweise über
die Abhängigkeit
des elektrischen Widerstands eines metallischen Leiters von der
Temperatur. Wird das Heizelement dann ausgeschaltet, und dem Gassensorelement
ein geeigneter zweiter Zeitabschnitt zur Verfügung gestellt, um vollständig auszukühlen, so
kann das Heizelement die Temperatur des Gassensorelements und damit
die Umgebungstemperatur wiedergeben. Hierfür ist es nicht entscheidend,
welches Messprinzip für
das Gassensorelement selbst verwendet wird. Auch für das Heizelement
kommen alle Heizelemente in Frage, die eine Temperaturmessung ermöglichen.
-
Die
ersten und zweiten Zeitabschnitte können in ihrer Dauer frei gewählt werden.
So können die
ersten Zeitabschnitte kurz gewählt
werden, beispielsweise kürzer
als eine Sekunde, um möglichst häufig auch
die Umgebungstemperatur messen zu kön nen und gleichzeitig die vom
Heizelement verbrauchte Leistung zu minimieren. Es ist aber auch möglich, lange
erste Zeitabschnitte von beispielsweise 10 s zu wählen, wenn
beispielsweise die Umgebungstemperatur nur selten gemessen werden
soll. Die zweiten Zeitabschnitte können sehr lange gewählt werden,
um beispielsweise elektrische Leistung zu sparen, oder viele Werte
für die
Umgebungstemperatur zu bekommen, beispielsweise 1 Minute. Andererseits
können
die zweiten Zeitabschnitte aber auch kurz gewählt werden. Schließlich ist
es möglich, dass
die ersten Zeitabschnitte länger
sind als die zweite Zeitabschnitte oder umgekehrt.
-
Weiterhin
kann die Länge
der ersten und zweiten Zeitabschnitte von vornherein festgelegt sein,
beispielsweise um einen festen Messrhythmus zu gewährleisten.
Andererseits ist es auch möglich, dass
die Länge
der Zeitabschnitte dynamisch angepasst wird.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Dauer und Abfolge von ersten und zweiten
Zeitabschnitten so gewählt
wird, dass der durchschnittliche Leistungsverbrauch des Heizelements über alle
Zeitabschnitte oder wenigstens über
einen ersten und einen zweiten Zeitabschnitt kleiner als 1 mW ist.
Hierdurch wird vor allem die Verwendung des Verfahrens in Brandmeldern
ermöglicht,
deren durchschnittlicher Leistungsaufnahme eine obere Grenze gesetzt
ist. Ein so ausgestaltetes Gassensorelement ist also in der Lage,
bei äußerst geringem
Leistungsverbrauch zwei Kriterien, d. h. zwei Messsignale zu liefern.
-
Hierbei
ist unter dem Messsignal des Gassensors das Gesamtergebnis der Gassensormessung
zu verstehen. Dieses kann, je nach Ausgestaltung des Gassensorelements,
auch aus mehreren einzelnen Messergebnissen bestehen. Beispielsweise
kann das Gassensorelement mehrere unabhängige Halbleitergassensorschichten
aufweisen, die von einem einzigen integrierten Heizelement beheizt
werden. In diesem Fall würde
das Gassensorelement neben der Umgebungstemperatur als gesamtes
Gas messsignal eine Mehrzahl von einzelnen Messsignalen der einzelnen
gassensitiven Schichten liefern.
-
Es
ist zweckmäßig, die
Messung der Umgebungstemperatur erst dann vorzunehmen, wenn das Gassensorelement
auf die Umgebungstemperatur vollständig abgekühlt ist. In einer Alternative
ist es aber auch möglich,
bereits vor der vollständigen
Abkühlung
aus einer Messung am Heizelement auf die Umgebungstemperatur zu
schließen.
So ist es beispielsweise auch möglich,
bei ausreichender Kalibrierung aus dem zeitlichen Verlauf der Abkühlung des Gassensorelements
nach dem Abschalten des Heizelements auf die Umgebungstemperatur
zu schließen.
-
Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden an Hand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert.
Dabei zeigen:
-
1 einen
mikromechanisch hergestellten Halbleitergassensor,
-
2 das
Abkühlverhalten
des mikromechanischen Gassensors,
-
3 einen
GasFET,
-
4 einen
Brandmelder.
-
1 zeigt
den Querschnitt eines mikromechanisch hergestellten Sensors 6.
Der mikromechanisch hergestellte Sensor 6 weist eine Membran 2, beispielsweise
aus Siliziumnitrit Si3N4 auf.
Die Membran 2 ist üblicherweise
quadratisch oder rechteckig und liegt auf einem Rahmen aus Silizium 1,
der mittels eines anisotropen Ätzprozesses
aus einem Siliziumwafer produziert wird. Die Membran 2 trägt einen Platinheizer 4.
Dieser ist im gegebenen Beispiel als Mäanderwiderstand aus Platin
ausgeführt,
der in dem Bereich der Membran 2, der auf dem Rahmen aus
Silizium 1 aufliegt, von außen kontaktiert wird. Der Platinheizer 4 ist
bedeckt von einer Isolierschicht 3, die beispielsweise
aus Siliziumdioxid SiO2 bestehen kann. Auf
der Isolierschicht 3 sitzt schließlich die gassensitive Halbleiterschicht 5.
Diese ist üblicherweise über metallische
An schlüsse,
die in 1 nicht gezeigt sind, kontaktierbar. Die Membran 2 des
gezeigten mikromechanisch hergestellten Sensors 6 ist in
diesen Beispielen nur etwa 1 μm
dick. Dieser extrem dünne
Querschnitt für
die Festkörperwärmeleitung
führt zu
einer extrem guten Isolation von Platinheizer 4 und der
gassensitiven Schicht 5 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 Sensoren 6 nur wenige 10
mW benötigt,
um die gassensitive Schicht 5 auf einer Temperatur von
beispielsweise 400°C
zu halten. Weiterhin führt
die gute Isolation im Zusammenspiel mit den relativ flachen Aufbauten
auf der Membran 2, die in 1 nicht
maßstäblich dargestellt
sind, zu einer sehr geringen thermischen Masse des zu beheizenden
Aufbaus. Das wiederum führt
zu einer extrem geringen Zeitkonstante für das Aufheizen und Abkühlen von
Membran 2, Platinheizer 4 und gassensitiver Schicht 5.
Wie in 2 an Hand des dort gezeigten Verlaufs der Sensortemperatur 7 zu
erkennen ist, erreicht der mikromechanisch hergestellte Sensor 6 innerhalb
von weniger als 150 ms im beheizten Zustand eine Temperatur von
beispielsweise etwa 225°C.
Im unbeheizten Zustand, also nach dem Abschaltzeitpunkt 8 erreicht
der mikromechanisch hergestellte Sensor 6 sogar noch schneller,
nämlich
in weniger als 100 ms wieder die Umgebungstemperatur.
-
3 zeigt
einen einfachen Temperaturverlauf, der im Sinne eines Beispiels
für das
erfindungsgemäße vorgehen
für den
mikromechanisch hergestellten Sensor 6 verwendet wird.
Da die Aufheiz- und Abkühlphasen
nur sehr kurz sind, sind sie in 3 vernachlässigt. In
dem Beispiel gemäß der 3 werden
als erste und zweite Zeitabschnitte jeweils 1 Sekunde gewählt, und
die ersten und zweiten Zeitabschnitte wechseln sich ab. Das bedeutet,
dass der Sensor abwechselnd auf Umgebungstemperatur und auf in diesem
Beispiel 250°C
betrieben wird. Ebenfalls in 3 angegeben
sind beispielhafte Messzeitpunkte 21, 22 für die Gasmessung
und die Messung der Umgebungstemperatur. Innerhalb der ersten Zeitabschnitte,
wenn sich der mikromechanisch hergestellte Sensor 6 auf
250°C befindet,
ist ein Gasmesszeitpunkt 21 vorgesehen. In den zweiten
Zeitabschnitten, wenn der mikromechanisch hergestellte Sensor 6 sich
also auf Umgebungstemperatur Tu befindet, ist sowohl ein Gasmesszeitpunkt 21 als
auch ein Messzeitpunkt für
die Umgebungstemperatur 22 vorgesehen. Auch bei diesem
einfachen Temperaturschema gemäß der 3 ist
es möglich,
weniger Messzeitpunkte 21, 22 oder auch wesentlich
mehr Messzeitpunkte 21, 22 vorzusehen. Die Messung
der Umgebungstemperatur findet nur in den zweiten Zeitabschnitten
statt, in denen der Sensor nicht beheizt wird.
-
Ein
weiteres Beispiel für
einen Temperaturverlauf ist in 4 dargestellt.
Im Beispiel gemäß der 4 wird
davon ausgegangen, dass die Aufheiz- und Abkühlzeitkonstanten des Gassensorelements wesentlich
größer sind
als die des mikromechanisch hergestellten Sensors 6 der 1.
Hierfür
ist es dann zweckmäßig, längere erste
und zweite Zeitabschnitte zu wählen. 4 zeigt
erste Zeitabschnitte von der Dauer von etwa 1 s und zweite Zeitabschnitte
mit einer Dauer von etwa 3 s. Während
jedes Zyklus bestehend aus einem ersten Zeitabschnitt und einem
zweiten Zeitabschnitt ist laut 4 ein Messzeitpunkt
für die
Umgebungstemperatur 22 vorgesehen, sowie drei Gasmesszeitpunkte 21.
-
Ein
komplexeres Schema für
die Temperaturführung
zeigt die 5. In diesem Schema wird davon
ausgegangen, dass der Sensor im normalen Betrieb, indem also kein
besonderes Signal auftritt, so betrieben wird wie in 5 vor
dem Zeitpunkt von etwa 65 s dargestellt. Der Sensor wird dabei alle
40 s für
nur wenige Sekunden beheizt. Die Beheizung findet dabei derartig
statt, dass der Sensor auf einer ersten Temperatur Th1 ist,
beispielsweise 200°C.
In diesem Schema kann die die Umgebungstemperatur daher nahezu ständig gemessen
werden. Da alle 40 s Aufheizpulse stattfinden, werden auch in denselben Zeitabständen Gasreaktionen
auf dem Sensor angeregt und es können
auch Gasmessungen durchgehend vorgenommen werden. Für das Schema
wird weiterhin davon ausgegangen, dass zum Zeit punkt von ca. 70
s ein besonderes Signal auftritt. Dies kann beispielsweise darin
bestehen, dass der Gassensor ein bestimmtes Gas detektiert oder
dass die Umgebungstemperatur merklich ansteigt. In diesem Fall wird
das Temperaturschema dynamisch geändert. In der Folgezeit wird
der Sensor nahezu durchgehend auf einer erhöhten Temperatur Th2,
beispielsweise 300°C
betrieben. Lediglich alle 10 s wird der Sensor für 2 s abgekühlt, um weiterhin eine Temperaturmessung
durchführen
zu können.
Das Betriebsschema gemäß der 5 hat
den Vorteil, im normalen Betrieb einen relativ geringen Leistungsaufwand
zu benötigen.
Dies wird dadurch erreicht, dass auf relativ kurze Aufheizphasen
relativ lange Kaltphasen folgen. Dennoch ist es möglich, ständig sowohl
Messwerte für
die Umgebungstemperatur als auch Gasmesswerte zu bekommen. Tritt
nun ein besonderes Signal auf, so wird in einen Modus geschaltet,
der eine höhere
Leistungsaufnahme benötigt.
Hierdurch wird aber wiederum erreicht, dass die Messsignale des Gassensors
genauer werden, da er bei höherer
Temperatur betrieben wird.
-
Im
leistungssparenden Betrieb gemäß der 5 fällt beispielsweise
in den ersten Zeitabschnitten von 2 s Dauer eine Heizleistung von
15 mW, in den zweiten Zeitabschnitten keine Heizleistung. Dadurch
ergibt sich ein durchschnittlicher Leistungsverbrauch von (2 s·15 mW)/40
s = 0,75 mW. Ein so geringer Leistungsverbrauch macht den Sensor
besonders geeignet für
eine Verwendung in Brandmeldern 14.
-
6 zeigt
schematisch den Aufbau eines Brandmelders 14, der einen
mikromechanisch hergestellten Sensor 6 umfasst. Der Brandmelder 14 weist auf
einem Träger 17 den
mikromechanisch hergestellten Sensor 6 sowie eine elektronische
Schaltung mit einer Auswerteschaltung 19, einem Multiplexer 16 und
einer Heizungsversorgung 20. Der Multiplexer 16 ist
dabei mit der Heizungsversorgung 20 und der Auswerteschaltung 19 sowie
mit dem Heizer des mikromechanisch hergestellten Sensors 6 verbunden.
Der Multiplexer 16 sorgt dafür, dass in den ersten Zeitabschnitten
die Heizungsversorgung 20 mit dem Heizer des mikromechanisch
hergestellten Sensors 6 verbunden ist und so mit der Sensor 6 beheizt wird.
Weiterhin ist in den zweiten Zeitabschnitten der Heizer des mikromechanisch
hergestellten Sensors 6 mit der Auswerteschaltung 19 verbunden.
Hierdurch entfällt
die Beheizung des Sensors 6 und eine Messung der Umgebungstemperatur
durch die Auswerteschaltung 19 wird ermöglicht. Andeutungsweise ist
in 6 auch ein Streulichtdetektor 18 gezeigt, der
ebenfalls Teil des Brandmelders 14 sein kann.
-
Alternativ
oder zusätzlich
kann in dem Brandmelder 14 auch ein GasFET 9,
gezeigt in 7 eingesetzt werden. Der Gas-FET 9 wird
unbeheizt betrieben. Der GasFET 9 weist einen Feldeffektaufbau
mit einem Drain-Anschluss 10 und einem Source-Anschluss 11 auf
sowie eine gassensitive Schicht 5, an die Gasmoleküle 12 adsorbieren
können.
Weiterhin weist der GasFET 9 einen Temperatursensor 13 auf.
Dieser wird bei der Auswertung des Signals des GasFETs 9 berücksichtigt,
um Einflüsse
der Umgebungstemperatur auf das Signal des GasFETs 9 zu kompensieren.
Dies ist notwendig, da der GasFET 9 nicht beheizt wird
und somit direkt dem Einfluss der Umgebungstemperatur ausgeliefert
ist. In einem Brandmelder 14 kann nun das Signal des Temperatursensors 13 vorteilhaft
verwendet werden, um ein weiteres Kriterium, d. h. also ein weiteres
Messsignal, für
die Detektion des Brandes zur Verfügung zu haben.
-
Die
Messung der Umgebungstemperatur mit dem Platinheizer 4 des
mikromechanisch hergestellten Sensors 6 findet über den
elektrischen Widerstand des Platinheizers 4 statt. Der
elektrische Widerstand des Platinheizers 4 hängt in weiten
Temperaturbereichen nahezu linear von der Temperatur ab. Beispielsweise
kann hierzu die folgende Formel für den elektrischen Widerstand
R(T) verwendet werden: R(T) = R0·(1 + A·T – B·T2)
-
Je
nach gewünschter
Genauigkeit des Messergebnisses für die Umgebungstemperatur kann
die Formel vereinfacht oder sogar mit weiteren Koeffizienten für beispielsweise
höhere
Potenzen der Temperatur erweitert werden, beispielsweise: R(T) = R0·(1 + A·T – B·T2 – C·(T – 100°C)·T3)