DE3342230A1

DE3342230A1 - Detektor zum nachweis von gasen

Info

Publication number: DE3342230A1
Application number: DE19833342230
Authority: DE
Inventors: Friedrich DDR 8080 Dresden Peschke
Original assignee: Robotron VEB
Current assignee: Robotron VEB
Priority date: 1983-02-21
Filing date: 1983-11-23
Publication date: 1984-08-23
Also published as: DD218187A1

Description

Detektor zum Nachweis von Gasen
Uetektoren 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 ber auch zur Messung der Konzentration der genannten Gase in Gasgeniischen verwendet werden.
Es ist allgemein bekaiint, do durch Reduktion und Oxydation die Leitfähigkeit halblitender Verbindungen verändert wird.
Bekannte Detektoren arbeiten insbesondere mitt halbleitenden Metalloxyden, die in Form von Sinterkörpern Verwendung finden. Durch elektrische Aufheizung (thermische Stimulierung) des lialbleitermuterials auf mehrere 100 °C findet bei Anwesenheit oxydierbarer Gase eine Redultion des Halbleitermaterials statt. Die damit erzielbare Leitfähigkeitsänderung wird zum Nachweis dieser Gase verwendet.
Nachteiltig ist die erforderliche elektrische Aufheizung und die damit im Zusammenhang stehende, aufwendige Rückführung des Halbleitermaterials nach Belastungen bzw. Unterbrechungen in den für weitere Messungen erforderlichen Ausgangszustand (z.B. einige lage Linlaufzeit). Siehe z.U. Prospekt #Gasempfindlicher Halbleitersensor TGSZ der Fa. Fiyaro ngineering Inc., @apan, die DE-OS 2535059 "Meßzelle zur Bestimmung von Sauerstoffkonzentrationen in einem Gasgemisch" sowie "Ex-Warngerät" (Sensoren mit Leitfähigkeitsänderung halbleitender Materlaien) Drägerwerke AG Lübeck.
Ziel der Erfindung ist es, die bei Detektoren mit Leitfähiykeitsänderung von Halbleitermaterialien notwendige thermische Stimulierung chemischer Rcaktionen durch elektrische Aufheizung auf hohe Temperaturen und deii erforderlichen Aufwaiid zur Herstellung des Ausgangszustandes für weitere Messungen zu beseitigen. Ls galt einen mit geringer Leistungsaufnahme arbeitenden, umfassend einsetzbaren, einfachen Detektor zu schaffen, der z.B. auch in lonisationsfeuermeldern und batteriebetriebenen Gasdetektoren Verwendung finden kanrl.
Die Erfindung löst die Aufgabe einen Detektor zum Nachweis von Gasen zu schaffen. der die nachstehenden Mängel beseitigt.
Die für die Leitfähigkoitsändeung an Halblitermaterialien erforderlichen chemischen Reaktionen zwichen Gas und Halbleiter finden bei Raumtemperatur nur in einem solchen yerinyen Umfang statt, daí) die durch sie bewirkte Leitfähigkeitsändeung nicht nachweisbar ist, insbesondere nicht für den Nachweis einer geringen Gaskonzentration. Ls ist deshalb erforderlich, dem Halbleitermaterial Energie zuzuführen, um die Resktion in ausreichendem Maße ablaufen zu lassen. Die durch elektrische Heizung zugeführte nergie un die damit verbundene trhöhuny der temperatur auf mehrere 100 °C verändert den Zustand des Halbleitermaterials gegenüber einer vorausgehenden Lagerung bei Raumtemperatur. Die Inbetriebnahme erfordert deshalb Maßnahmen zur Berüksichtigung von Ausgleichsvorgängen.
Die große Abhangigkeit der Leitfähigkeit des Detektormaterials von der Temperatur erfordert stabile Heizspannungen und besondere Vorkehrungen bei der Anwendung von Brückenschaltungen.
Der universelle einsatz dieser llalbleitersensoren als Bestandteil von Ionisationsfeuermeldern und ihr Linsatz in batteriebetriebenen Gasdetektoren verbietet sich wegen der hohen Leistungsaufnahme (Gasdetektor: 1 W, moderne lonisationsfeuermelde: µW bis mW).
Die Merkmale der Erfindung bestehen erfinungsgemäß 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.
Die ionisierte Gasatmosphäre wird dabei durch eine oder mehrere t- oder 3 -Strahlenquellen erzeuyt und die direkte Einwirkung der α -Strahlung auf die Halbleiteroberfläche durch eine Blende vermieden. Uas Halbleitermaterial kann dabei in Form dünner Schichten von Metalloxyden z.B. einer dünnen SnO,-Schicht auf der Oberfläche eiiier Glasfaser oder in Form eines drahtförmigen Sinterkörpers eingesetzt sein.
Vorteilhaft ist die Unterbringung des Gasdetektionssystems bestehend aus Halbleitermaeial, umgebender ionisierter Gasatmosphäre und elektrischem Feld in einem gesockelten Gehause. Die Gehäuseöffnungen sind dabei so angeordnet, daß die Gase Zutritt zum Gasdetektionssystem haben, der Austritt der α- oder ß -Strahlung jedoch vermieden wird. Die Elektrode kann auch als Gehäuse ausgebildet sein.
Die Erfindung soll nachstehend all zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. ln der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig. 1 den Detektor in Verbindung mit einer Auswerteschaltung.
Fig. 2 eine konstruktive Gestaltung des Uetektors.
In Fig. 1 ist das Halbleitermaterial 1 ein Widerstandselement in einer einfachen Brückenschaltung, die mit der Betriebsspannung UU betrieben wird. Das Halbleitermaterial 1 befindet sich in der Achse einer zylinderförmigen Elektrode 2.
Zwischen Halblitermaterial 1 und Elektrode 2 wird durch die angelegte Betriebsspannung UB ein elektrisches Feld erzeugt.
Damit ist das Halbleitermaterial 1 auch Elektrode des elektrischen Feldsystems. An der Innenfläche der zylinderförmigen Elektroder 2 ist eine ß -Strahlenquelle 3 aus Ni 63 angebracht. die die Gasatmosphäre 4 um das llalblcitermaterial 1 ionisiert. Bei Abwesenheit nachzuweisender Gase ist die Brückenschaltung auf UM = O abgeglichen. Treten nachzuweisende Gase 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 Halblitermaterials 1 beschleunigt und konzentriert. Die zur Leitfähigkeitsändeung erfordeliche Reduktions-Oxydations Reaktion an der Oberfläche des Halbleitermateials 1 findet ohne elektrische Aufheizung des Halbleitermaterials 1 statt. Die Aktivieruny des nuchzuwciserldell Gases durch die Linwirkung der Strahlung in Kombination mit dem elektrischen leld erfolgt im Vergleich zur thermischen Stimullerung durch elektrische Aufheizung nahezu lei stungslos. komplizierte Lirilaufeffekte bzw. lange tinlaufzeiten sind durch den Wegfall der elektrischen Auf- heizuny nicht rnehr zu bërücksichtiyen. In Fig. 2 ist ein Detcktor mit α -Strahlenquelle 5 aus Am 241 dargestellt. Das Halbleitermaterial 1 aus SnO. befindet sich als dünne Oberflächenschicht auf einer Glasfaser 7 in der Achse einer zylinderförmigen Llktrode 2. Vor der α -Strahlenquelle 5 ist eine Ulende 9 aus nicht leitendem Material so angebracht, daß die -Strahlen die Halbleiteroberfläche nicht treffer können, weil deiese im Strahlenschatten 6 liegt. Damit werden irreversible Leitfähigkeitsänderungen vermieden. Durch die Öffnungen 10 des mit einem Sockel 8 versehenen Gehäuses 11 können Gase in das Gasdetcktionssystem eintreten, die α-Strahlung jedoch nicht hinausgelangen, weil die Öffnungen 10 durch die Elektrode 2 verdeckt und außerhalb der ionisierten Gasatmosphäre 4 angeordnet sind. Dcr Durchmesser der Glasfaser 7 ist so gering. daß durch die Anordnun 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 Wegläne eine die Reaktion fördernde Beschleunigung.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche Detektor zum Nachweis von Gasen durch Leitfähigkeitsänderung von Halbleitermaterialien, gekennzeichnet dadurch, daß das Halbleitermaterial (1) in einer ionisierte Gasatmosphäre (4) und in einem elektrischen @eld angeordnet ist, wobei das Halbleitermaterial (1) gleichzeitig Widerstand in der Auswerteschaltuny und Elektrode in der Anordnung zur Erzeugung des elektrischen Feldes, bestehend aus Halbleitermaterial (1) und Elektrode (2) ist.
2 Detektor nach Punkt 1, gekennzeicllnet dadurch, daß zur Ionisierung der Gasatmosphäre (4) eine oder mehrere α -Strahlenquellen (5) oder ß -Strahlenquellen (3) eingesetzt sind, wobei vor der α -Strahlenquelle (5) eine Blende (9) so angeordnet ist, daß das Halbleitermaterial (1) im Strahlenschatten (6) liegt.
3 Detektor nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Halbleitermaterial (1) dünne Schichten von Metalloxyden z.B. SnOX auf nichtleitenden Grundmaterialien z.B. einer Glasfaser (7) angeordnet sind, oder das Halbleitermaterial (1) als drahtförmiger Sinterkörper ausgebildet ist.
4 Detektor nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Halbleitermaterial (1), umgeben von der ionisierten Gasatmosphäre (4) und der Anordnung bestehend aus Halbleitermaterial (1) und Elektrode (2) in einem Gehäuse (11) mit Sockel (8) und Offnungen (10) untergebracht ist, wobei die Öffnungen (10) durch die α - - und /3 -Strahlung undurchlässige Elektrode (2) verdeckt und außerhalb der ionisierten Gasatmosphäre (4) angeordnet sind.
5 Detektor nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektrode (2) als Gehäuse (11) ausgebildet ist.