EP2078190A1 - Combustion gas sensor - Google Patents

Combustion gas sensor

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Publication number
EP2078190A1
EP2078190A1 EP07821611A EP07821611A EP2078190A1 EP 2078190 A1 EP2078190 A1 EP 2078190A1 EP 07821611 A EP07821611 A EP 07821611A EP 07821611 A EP07821611 A EP 07821611A EP 2078190 A1 EP2078190 A1 EP 2078190A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
gas
semiconductor
detect
adsorption
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07821611A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
André De Haan
Marc Debliquy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chimie Inorganique et Organique en abrege "Sochinor" Ste
Original Assignee
Chimie Inorganique et Organique en abrege "Sochinor" Ste
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chimie Inorganique et Organique en abrege "Sochinor" Ste filed Critical Chimie Inorganique et Organique en abrege "Sochinor" Ste
Priority to EP07821611A priority Critical patent/EP2078190A1/en
Publication of EP2078190A1 publication Critical patent/EP2078190A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/125Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer

Definitions

  • the present invention relates to a gas sensor emitted by a combustion, which sensor comprises one or more metal oxides forming a gas adsorption semiconductor whose resistance changes as a function of the adsorbed gas.
  • Such a sensor is known from the patent application WO 98/08084.
  • This document describes the possibility of making sensors based on organic semiconductors such as phthalocyanines used alone or mixed with inorganic semiconductors or the use of inorganic semiconductors only. These sensors detect both smoldering fires, that is to say, flameless fires, and live fires, that is to say with flames.
  • These sensors formed by organic and inorganic semiconductors have the function of detecting the presence of one or more gases emitted during combustion.
  • Fire detection is also known smoke detectors, whose ionic or optical sensors detect solid particles present in the fumes.
  • these types of detectors have a certain number of problems because their reactivity depends in particular on the size of the particles emitted.
  • some fires, such as alcohol do not emit solid particles and can not be detected. As a result, these smoke detectors do not detect all types of fires.
  • Combustion gas detectors are also particularly interesting in that they are insensitive to dust and can therefore be used in dusty, industrial or other environments.
  • Sensors based on metal oxides that can be used in fire detection generally use either tin oxide SnO 2, doped with noble metals, or double oxides CrTiO x , CrRbO x , SrTiO 3 , as for example described in. EP 0609316 B1, EP 0656111 B1, US 5,767,388, or US 5,635,628.
  • Their essential function is to detect the emission of combustible gases and, in particular, for the detection of fire, the emission of carbon monoxide CO while attempting to avoid the interfering gases.
  • Other types of gas sensors are based on electrochemical cells that specifically detect carbon monoxide CO.
  • Catalytic sensors based on doped tin oxide SnO 2 or Ga 2 O gallium oxide have many interferences and very poorly resist standardized corrosion tests in the presence of SO 2 sulfur oxide. In addition, their sensitivity is influenced by ambient humidity.
  • a priori, working at room temperature may be of interest in terms of energy consumption because the sensor should not be heated.
  • the energy consumption of a sensor is, indeed, a very important factor because on a control line that can contain several hundred, it is necessary to provide a battery supply that in case of power failure by the sector must be able to maintain surveillance for 72 hours. If the consumption of each detector is too high, the quantity and the cost of the required batteries become prohibitive.
  • these sensors usable at ordinary temperature exhibit very large fluctuations of the basic signal according to the revolution of the composition of the atmosphere and of the ambient temperature. The detection of a focus can in this case be performed only by sophisticated electronic means that evaluate in particular the evolution of the response of a sensor for predetermined periods of time.
  • phthalocyanine is a semi-conductor whose semi-conductivity is conditioned in particular by oxygen in the air, but especially by natural atmospheric pollutants such as ozone and nitrogen oxides (the resistivity p fluctuating between 10 7 and 10 9 ⁇ "1 cm “ 1 ). For against, in a vacuum or under an inert atmosphere, it is completely insulating (p> October 15 ⁇ "1 cm” 1).
  • phthalocyanine is a semiconductor conditioned by the ambient atmosphere, it is impossible to reduce its sensitivity to ozone by eliminating it by a filter, because in this case the phthalocyanine becomes an insulator. Finally, over time, sensors made from phthalocyanine in powder form as described in EP 0 918 985 B1, undergo sintering which progressively decreases their sensitivity.
  • the influence of humidity on the response of these sensors also hinders their use. Indeed, as these sensors generally work on the basis of the evolution of their resistance as a function of time, sudden changes in the humidity level in the air can cause false alarms (opening of bathroom doors, showers).
  • the fact of using sensors working at room temperature opens another problem related to the recovery time of the sensors after the action of an atmospheric agent of any kind: presence of cigarette smoke, alcohol fire for fondues, candles, various household solvents, perfumes, any fires ...
  • the recovery time is the duration of the return to the usual basic line by desorption of the adsorbed gases, becomes relatively long which induces during a strong intoxication a memory effect during a few hours to 24 hours and the detector remains not operational during this period.
  • the object of the present invention is to provide a combustion-emitted gas sensor which is capable of detecting either a fire with flames, or a flameless fire, or both a fire with a flameless fire and being relatively insensitive to fire. fluctuations in the ambient atmosphere.
  • a sensor according to the invention is characterized in that said semiconductor is a direct gas adsorption semiconductor without catalyzed chemical reaction, which sensor is arranged to detect oxides of nitrogen in the case of a high-fire, and / or to detect, in the case of a smoldering fire, partially unburned gases, in particular alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids, or the amines.
  • the conductimetric or resistive sensors based on metal oxides semiconductors with direct adsorption of gas without catalyzed chemical reaction thus carried out are not conditioned by the composition of the ambient atmosphere (O2, O3, NO x , H 2 O,. ..).
  • a first preferred embodiment of a sensor according to the invention is characterized in that it comprises a heating element, in particular an electrical resistance, for heating the metal oxide at a temperature of between 150 and 350 ° C.
  • a heating element in particular an electrical resistance
  • This plurality of ranges makes it possible to adjust the sensitivity of the sensor according to its end use, for example a detector for fire, tobacco smoke, etc.
  • a second preferred embodiment of a sensor according to the invention is characterized in that the metal oxide is chosen from tungsten oxide WO 3 , chromium oxide Cr 2 O 3 , copper oxide CuO , lanthanum oxide La 2 O 3 , or certain oxides doubles such as Cr x Ti y ⁇ 3, or a mixture thereof. These metal oxides are widely distributed commercially.
  • a third preferred embodiment of a sensor according to the invention is characterized in that it is housed in a housing provided with a metal grid.
  • the presence of the metal grid makes it possible to avoid the fluctuations due to the evolutions of atmosphere and thus ensures a better functioning of the sensor.
  • the invention also relates to a use of one or more metal oxides forming a direct adsorption gas-free semiconductor without catalyzed chemical reaction and whose electrical resistance changes as a function of the adsorbed gas to detect oxides of nitrogen in the case of a bright fire and / or to detect, in the case of a smoldering fire, partially unburned gases, in particular alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids or even amines.
  • the invention also relates to a method for manufacturing and calibrating such a sensor.
  • the invention relates to a method of operating a sensor according to the invention wherein the heating element is supplied with electric current either in continuous mode or in pulsed mode.
  • FIG. 1a illustrates the adsorption and catalytic reaction by a metal oxide for oxygen and non-carbon monoxide
  • FIG. 1b illustrates the phenomenon of direct adsorption without catalytic reaction on a metal oxide for nitrogen oxide and formaldehyde
  • FIG. 2 illustrates the evolution of the resistance of a sensor according to the invention during a fire with a flame
  • FIG. 3 illustrates the evolution of the resistance of a sensor according to the invention during a flame-free fire
  • FIG. 4 illustrates the evolution of the resistance of a sensor according to the invention in the presence of a reducing gas
  • FIG. 5 illustrates the evolution of the resistance of a sensor according to the invention as a function of the temperature of the sensor
  • Figures 6, 7 and 8 illustrate embodiments of sensors according to the invention.
  • the sensors based on metal oxides generally work at temperatures above 400 ° C. In the ambient atmosphere, their semi-conductivity is conditioned by the oxygen of the air that adsorbs on the surface.
  • the figure illustrates that in the presence of a combustible gas, such as carbon monoxide (CO), hydrocarbons and partially oxidized hydrocarbons undergo on the surface of the sensor a catalytic combustion with oxygen previously adsorbed.
  • a combustible gas such as carbon monoxide (CO)
  • CO carbon monoxide
  • hydrocarbons and partially oxidized hydrocarbons undergo on the surface of the sensor a catalytic combustion with oxygen previously adsorbed.
  • the sensor according to the invention uses one or more metal oxides said to direct adsorption of the gas emitted by combustion without catalyzed chemical reaction, as described in the previous paragraph.
  • the peculiarity of these metal oxides forming a "direct adsorption without catalyzed chemical reaction" semiconductor stems, on the one hand, from the fact that they are semiconductors not conditioned in the sense that the semiconductivity is due between others to stoichiometric and crystalline defects of the sensitive layer itself. The natural semi-conductivity is therefore not due to the presence of oxygen or atmospheric pollutants on the sensitive layer.
  • the temperature is relatively high and by reaction of oxygen and atmospheric nitrogen, oxides of nitrogen are formed and especially NO2 .
  • this gas acts directly on the sensitive layer of the sensor without an intermediate catalyzed chemical reaction (FIG. 1b). Since nitrogen oxide NO2 is a strong oxidant, it has a free electron-sensing effect present in the semiconductor and in fact decreases the number of negative charge carriers in the case of a semiconductor of the type not. This results in a significant increase in the electrical resistance of the sensor.
  • the gases emitted by the fire are partially unburned.
  • gases are partially oxidized and include in particular alcohols, ketones, aldehydes, carboxylic acids, amines, etc.
  • These molecules are electronically structured electron donors, which therefore directly increase the number of of negative charge carriers of a n-type semiconductor.
  • the electrical resistance of the sensor therefore decreases in significant proportions. The direction of these evolutions of resistance is obviously reversed in the presence of a p-type semiconductor.
  • the invention is therefore based on the use of one or more metal oxides forming a direct adsorption gas semiconductor without catalyzed chemical reaction and whose electrical resistance changes as a function of the adsorbed gas to detect oxides of nitrogen in the case a bright fire and / or to detect, in the case of a smoldering fire, partially unburned gases, in particular alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids or even amines.
  • the detection is effected by direct action of the gas without using catalytic combustion with oxygen also has very important consequences on the behavior of the sensors. Indeed, they can in particular be used at much lower temperatures, in particular in a range between 150 and 350 ° C. This range is much lower than that used by the "catalytic" sensors with conventional metal oxides and which is between 400 and 900 0 C.
  • the sensors based on unconditioned metal oxides with direct adsorption of the gas to be detected there may be mentioned, for example, tungsten oxide WO 3, chromium oxide Cr 2 ⁇ 3, oxide of copper CuO, or lanthanum oxide La2 ⁇ 3, or even some double oxides such as Cr x Ti y ⁇ 3.
  • FIGS. 2 and 3 illustrate the evolution of the resistance of a sensor according to FIG. invention during a fire with flame respectively a fire without flame.
  • S ma ⁇ ⁇ 6 the resistance of the usual atmospheres
  • these fluctuations in the atmosphere are mainly due to a low sensitivity to ozone.
  • the ozone is largely destroyed on the walls and thus hardly affects the resistance of the sensor.
  • the presence of this metal grid significantly reduces the fluctuations due to changes in atmosphere and thus ensures better operation of the sensor.
  • the sensors according to the invention are largely insensitive to fluctuations in ambient humidity. These sensors can therefore not only be used in usual conditions with significant fluctuations in humidity, but also in more specific applications: marine environment, dryers, saunas,
  • the sensors detect the appearance of nitrogen oxide NO2 which is always emitted under these conditions because the flame temperature is very high and in this case Nitrogen oxide is formed by the reaction of nitrogen and oxygen in the air.
  • nitrogen oxide NO 2 which can reach levels of the order of a few ppm, reduces the number of surface charge carriers. semiconductor and the electrical resistance of the sensor therefore increases in very large proportions.
  • the NO 2 content of nitrogen oxide measured by chemiluminescence reaches ⁇ 1 ppm.
  • Figure 2 shows that the response of the sensor submitted to air at a NO2 content of 1 ppm is exactly similar. This gas can therefore be used during a sensor calibration procedure or during the sensitivity tests provided by the standards. It should be noted that in normal atmospheres, nitrogen oxide NO2 levels rarely exceed 50 ppb. At the onset of a smoldering fire (Figure 3), the temperatures reached by the outbreak are much lower and do not allow the formation of nitrogen oxide.
  • combustions are incomplete and give rise in particular to the appearance of partially unburned gases including in particular ROH alcohols, RHCO aldehydes, RiR 2 CO ketones or more or less oxidized R1R2R3N amines which are susceptible, by adsorbing on the sensor, to increase the number of negative charge carriers on the surface, which has the effect of greatly reducing the resistance of a sensor made with an n-type semiconductor.
  • FIG. 4 shows that these different types of gas respectively presenting the alcohol, aldehyde, ketone and even amine functions have an effect that goes in the direction of a decrease in the electrical resistance of the sensors.
  • Figure 4 indeed shows the response of the sensor to 1000 ppm injections of formaldehyde, acetone and ethanol.
  • Smoldering fires emit all these types of gases at various levels depending on the nature of the fuel and the temperature of the furnace. All these gases cause an evolution of the resistance of the sensor in the same direction and their effects are cumulative. The detection for smoldering fires can not therefore be attributed to a single gas but to all of those having these types of function. These same partially unburned gases can also be used to calibrate the sensor. It is obvious that the directions of evolution of the resistance as a function of the type of focus are reversed in the presence of a p-type semiconductor.
  • the sensors concerned by the present invention are very specific vis-à-vis the gases emitted during a combustion (nitrogen oxides, aldehydes, ketones, ).
  • the "catalytic" metal oxides used at higher temperatures such as, for example, tin oxide
  • they in no way react with combustible gases such as hydrogen and carbon monoxide. alkanes (methane, propane, ).
  • alkanes methane, propane, .
  • This behavior is due to the fact that the evolution of the resistance of the sensors is solely attributable to the adsorption of the combustion gases on the surface of the metal oxides and not to a catalytic reaction between them. combustion gas and oxygen previously adsorbed on the surface as is the case for "catalytic" oxides.
  • the choice of the nature of the semiconductor and the operating temperature also makes it possible to increase or decrease the sensitivity of the sensor to different types of fire (with or without flames) as shown in FIG.
  • the latter is equipped with a heating element, in particular an electrical resistance.
  • the heating element is arranged to heat the semiconductor to a temperature of between 150 and 350 ° C.
  • Figure 6 shows a general configuration of the sensors.
  • insulating support 1 consisting for example of alumina, of surface-oxidized silicon, of silicon provided with interlayer layers such as, for example, silicon nitride, or even other oxides or nitrides which are completely insulating with respect to resistances of the sensitive layers to be measured (R SU p ort P> "Rcouche sensitive) -
  • R SU p ort P> "Rcouche sensitive” the nature of the support has little effect on performance, it determines that the embodiments and therefore consumption 'electric energy.
  • This support is conventionally provided with two interdigitated electrodes 2 made of a noble metal such as, for example, gold, platinum, etc., or even ruthenium oxide RuO 2.
  • a noble metal such as, for example, gold, platinum, etc., or even ruthenium oxide RuO 2.
  • the realization of this circuit depends on the type of support used. For example, on alumina supports it can be produced by screen printing of inks containing the metals to be deposited or by deposition of the metal powder (dispersed in a solvent and spread out in a thin layer) followed by laser sintering. On silicon-based substrates, the electrodes can be made by the usual photolithography techniques used in the field of microelectronics.
  • the support is preferably also provided with the heating element formed by a heating resistor 3 consisting of either poly-silicon (also called polysilicon) or ruthenium oxide or a noble metal coil such as, for example, the platinum whose electrical resistance has an excellent coefficient of temperature (0.3% / ° K) that will accurately set the working temperature of the sensor.
  • a heating resistor 3 consisting of either poly-silicon (also called polysilicon) or ruthenium oxide or a noble metal coil such as, for example, the platinum whose electrical resistance has an excellent coefficient of temperature (0.3% / ° K) that will accurately set the working temperature of the sensor.
  • This heating resistor can be located according to the configuration on one or the other face of the support.
  • This heating element preferably comprises temperature control means arranged to, depending on the temperature of use, adjust the sensitivity of the sensor either to detect all types of fires, or to detect said smoldering fires, or to detect said fires .
  • These adjustment means can be formed by using a variable resistance as electrical resistance or by varying the electric current supplying the electrical resistance.
  • the surface comprising the electrodes is covered by the sensitive layer consisting of the adsorption semiconducting metal oxide (s) not conditioned by the ambient atmosphere.
  • the deposits can be made by different techniques depending on their field of application. The nature of the metal oxides, the techniques used for the deposition of the sensitive layer and the conditions of use such as the temperature of the sensor can also be differentiated according to the field of application.
  • the fire detection is not reduced to fire risks only in the domestic sector or in the tertiary sector (building, administration, hospitals, hotels, etc.). It is also important to have sensors that can be used for example in dusty industrial environments, in covered car parks, tunnels, cold stores, etc.
  • the sensitive layer deposits can be made on the supports by screen printing of particular inks. These are obtained by the dispersion of the powder of direct-adsorption semiconducting metal oxides in an organic solvent which contains the appropriate additives (surfactants, thickeners, etc.). These additives in particular have the effect of keeping the solid particles in suspension and to prevent their coagulation. It is therefore important to fix their surface charge and electrical surface potential ⁇ so that they repel and do not agglomerate.
  • the size of the oxide particles dispersed in these inks is between 0.005 and a few ⁇ .
  • the support consists of an Al 2 ⁇ 3 wafer 3 ⁇ 3 mm and 0.5 mm thick, the electrodes arranged in interdigital double combs for example having a width of 150 ⁇ m and a spacing of 200 ⁇ m.
  • the heating resistor (heating) located on the same side is platinum and has a resistance at 25 ° C for example 17 ⁇ . Depending on the field of use, the temperature will be set between 150 and 350 0 C which will correspond in the example chosen to resistances fixed by the electronic control respectively 25.6 and 33.8 ⁇ .
  • the sensitive layer is deposited either by a sol-gel process when the particle size is very small ( ⁇ 10 ⁇ m) or by screen printing of the appropriate ink containing in particular the direct adsorption semiconductor metal oxide (s). gas to be detected.
  • the layer is then subjected to drying and thermal removal of the adjuvants of the ink.
  • the sol-gel or screen-printing process can be repeated a number of times (one or more identical or different layers) depending on the sensitivity that it is desired to confer on it.
  • the temperature is set to an average value of
  • the sensitivity S is around 50 for smoldering fires and 200 for fires with flames.
  • the sensitivity S is around 250 for smoldering fires and 30 for fires with flames.
  • Figure 5 illustrates the evolution of the sensitivity S as a function of the temperature T for these two types of fires. Depending on the type of risk to be covered and the location of use, the temperature can be adjusted to the most appropriate value.
  • the electrical energy consumption is around 300 mW.
  • the layer thickness is, in fact, a determining factor of the sensitivity of the sensor. For example, if one wishes to realize not a fire detector but rather a smoke detector, the sensitivity is increased by reducing, for example, to 1 the number of layers and maintaining the temperature in the area that increases sensitivity to smoldering fires. (high temperature).
  • These electrodes (2) are deposited by conventional photolithography techniques of microelectronics. In this case, either the upper surface of the sensor is roughened so that the oxide layers can be deposited as previously by screen printing, by a sol-gel process or by sputtering, ie the surface is smooth and only the two last techniques can be implemented. Sputtering is, for example, used when producing a tungsten oxide WO3 layer at a tungsten cathode and a low oxygen partial pressure.
  • Another configuration is to encircle, on the upper face, the electrodes by a platinum coil or polysilicon.
  • the sensors thus produced have the same performance as those made on AI2O3 alumina but the power consumption is reduced by a factor of fifteen (ie, for example, 20 mW).
  • Another way to further reduce energy consumption is to operate the sensor in a pulsed and non-continuous mode. In this case, it is a question of feeding the heating resistance of the sensor during, for example, 2 seconds every 10 or 20 seconds. The heating time and consequently the power consumption is greatly reduced and it is thus possible, depending on the heating and pause times chosen, to reduce the power consumption again by a factor of five to one-half.
  • the silicon support (4) has a rectangular shape whose dimensions are, for example 2 x 2 mm. On this support, different layers of either oxide or silicon nitride are formed or deposited on the upper face 3. This support is also hollowed out on its underside to reduce its thickness to, for example, 5 microns. Above the excavated surface and in a rectangle of, for example, 50 x 100 microns, the electrodes 2, the heating resistor 1 and the sensitive layer are deposited as in the previous example. Finally a lamella corresponding to the rectangle where is located the sensitive layer is cut on 3 sides ( Figure 7). The fourth side to establish the electrical contacts to the electrodes and the heating resistor. Under the effect of the mechanical tensions of expansion and compression of the layers of silicon, oxide and / or silicon nitride and under the effect of the temperature this lamella is raised.

Abstract

The invention relates to a combustion gas sensor, said sensor comprising one or more metallic oxides forming an adsorption semi-conductor having an electric resistance that varies according to the adsorbed gas, and said semi-conductor being a direct gas adsorption semi-conductor without catalyzed chemical reaction, wherein said sensor is designed for detecting nitrogen oxides in the case of a strong fire and/or said sensor is designed for detecting, in case of smoldering fire, the partially unburnt gases, in particular alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids or amines.

Description

Capteur de gaz émis par une combustion. Gas sensor emitted by a combustion.
La présente invention concerne un capteur de gaz émis par une combustion, lequel capteur comprend un ou plusieurs oxydes métalliques formant un semi-conducteur à adsorption de gaz dont la résistance change en fonction du gaz adsorbé.The present invention relates to a gas sensor emitted by a combustion, which sensor comprises one or more metal oxides forming a gas adsorption semiconductor whose resistance changes as a function of the adsorbed gas.
Un tel capteur est connu de la demande de brevet WO 98/08084. Ce document décrit la possibilité de réaliser des capteurs à base de semi-conducteurs organiques tels que les phtalocyanines utilisées seules ou en mélange avec des semi-conducteurs minéraux ou encore l'utilisation de semi-conducteurs minéraux uniquement. Ces capteurs détectent à la fois les feux couvant, c'est-à-dire des feux sans flamme, et les feux vifs, c'est-à-dire avec flammes. Ces capteurs formés par des semi-conducteurs organiques et minéraux ont pour fonction de détecter la présence d'un ou plusieurs gaz émis lors d'une combustion.Such a sensor is known from the patent application WO 98/08084. This document describes the possibility of making sensors based on organic semiconductors such as phthalocyanines used alone or mixed with inorganic semiconductors or the use of inorganic semiconductors only. These sensors detect both smoldering fires, that is to say, flameless fires, and live fires, that is to say with flames. These sensors formed by organic and inorganic semiconductors have the function of detecting the presence of one or more gases emitted during combustion.
En détection d'incendie on connait également les détecteurs de fumée, dont les capteurs ioniques ou optiques décèlent les particules solides présentes dans les fumées. Toutefois, ces types de détecteurs présentent un certain nombre de problèmes car leur réactivité dépend notamment de la taille des particules émises. En outre, certains feux, tels ceux d'alcool, n'émettent pas de particules solides et ne peuvent donc être décelés. Il en résulte que ces détecteurs de fumée ne décèlent pas tous les types de feux.Fire detection is also known smoke detectors, whose ionic or optical sensors detect solid particles present in the fumes. However, these types of detectors have a certain number of problems because their reactivity depends in particular on the size of the particles emitted. In addition, some fires, such as alcohol, do not emit solid particles and can not be detected. As a result, these smoke detectors do not detect all types of fires.
La détection de gaz par des semi-conducteurs est bien connue, il importe toutefois en détection d'incendie de ne détecter que les seuls gaz émis lors d'une combustion afin d'éviter tout risque d'interférences et donc de fausses alarmes.The detection of gas by semiconductors is well known, but it is important in fire detection to detect only the gases emitted during a combustion to avoid any risk of interference and therefore false alarms.
L'intérêt de la détection d'incendie par le biais de capteurs détectant les gaz émis lors d'une combustion réside essentiellement dans les faits suivants. Ils permettent une détection beaucoup plus précoce du foyer car la vitesse de propagation des gaz est largement supérieure à celles des particules solides que détectent les détecteurs de fumée ioniques ou optiques. En outre, leur spectre de détection peut être largement étendu à tous les types de feux à condition qu'ils décèlent les gaz émis lors de tout type de combustion. Ce critère n'est évidemment pas satisfait dans le cas des détecteurs de monoxyde carbone CO qui ne détectent normalement que ce seul gaz de combustion. En effet, certains types de foyer n'émettent que très peu de CO, comme par exemple un feu vif d'alcool.The interest of fire detection by means of sensors detecting the gases emitted during a combustion essentially lies in the following facts. They allow a much earlier detection of the focus because the speed of propagation of gases is much higher than those of the solid particles detected by the detectors of ionic or optical smoke. In addition, their detection spectrum can be widely extended to all types of fires provided they detect the gases emitted during any type of combustion. This criterion is obviously not satisfied in the case of CO carbon monoxide detectors which normally detect only this single flue gas. Indeed, certain types of hearths emit only very little CO, such as for example a quick fire of alcohol.
Les détecteurs de gaz de combustion sont aussi particulièrement intéressants par le fait qu'ils sont insensibles aux poussières et peuvent donc être utilisés dans des milieux poussiéreux, industriels ou autres.Combustion gas detectors are also particularly interesting in that they are insensitive to dust and can therefore be used in dusty, industrial or other environments.
Les capteurs à base d'oxydes métalliques susceptibles d'être utilisés en détection d'incendie, comme par exemple décrit dans. US 6,046,054 ou UK 2267968 A, utilisent généralement soit l'oxyde d'étain Snθ2, dopé par des métaux nobles, soit des oxydes doubles CrTiOx, CrRbOx, SrTiO3, comme par exemple décrit dans. EP 0609316 B1 , EP 0656111 B1 , I US 5,767,388, ou US 5,635,628. Ils ont pour fonction essentielle de déceler l'émission de gaz combustible et, en particulier, pour la détection d'incendie l'émission du monoxyde de carbone CO en tentant d'éviter les gaz interférents. D'autres types de capteurs de gaz sont basés sur des cellules électrochimiques qui décèlent spécifiquement le monoxyde de carbone CO. Malheureusement, comme ils ne décèlent que la présence d'un gaz spécifique (CO), ils ne détectent pas tous les types de feux. Les capteurs à base d'oxydes métalliques, tels l'oxyde d'étain Snθ2, de gallium Ga2θ3, ..., travaillent à des températures élevées supérieures à 4000C. Dans l'atmosphère ambiante, leur semi- conductivité est conditionnée par l'oxygène de l'air qui s'adsorbe en surface. En présence d'un gaz combustible, tel que le monoxyde de carbone, les hydrocarbures et les hydrocarbures partiellement oxydés, ces derniers subissent à la surface du capteur une combustion catalytique avec l'oxygène préalablement adsorbé. Il en résulte une diminution de la quantité d'oxygène adsorbée en surface et donc une évolution de la résistance électrique du capteur. Ces capteurs sont à classer parmi les capteurs «catalytiques» à base d'oxydes métalliques.Sensors based on metal oxides that can be used in fire detection, as for example described in. US 6,046,054 or UK 2267968 A, generally use either tin oxide SnO 2, doped with noble metals, or double oxides CrTiO x , CrRbO x , SrTiO 3 , as for example described in. EP 0609316 B1, EP 0656111 B1, US 5,767,388, or US 5,635,628. Their essential function is to detect the emission of combustible gases and, in particular, for the detection of fire, the emission of carbon monoxide CO while attempting to avoid the interfering gases. Other types of gas sensors are based on electrochemical cells that specifically detect carbon monoxide CO. Unfortunately, since they only detect the presence of a specific gas (CO), they do not detect all types of fires. Sensors based on metal oxides such as tin oxide SnO 2, gallium Ga2θ3, ..., working at high temperatures above 400 0 C. In the ambient atmosphere, their semi-conductivity is conditioned by the oxygen of the air which adsorbs itself on the surface. In the presence of a combustible gas, such as carbon monoxide, hydrocarbons and partially oxidized hydrocarbons, the latter undergo on the surface of the sensor a catalytic combustion with oxygen previously adsorbed. This results in a decreasing the amount of oxygen adsorbed on the surface and therefore an evolution of the electrical resistance of the sensor. These sensors are to be classified as "catalytic" sensors based on metal oxides.
Ces types de détecteurs ne sont toutefois utilisables que dans le cadre de la détection de feux couvant pour lesquels l'émission de monoxyde carbone CO est suffisamment importante. Ils ne détectent, en effet, pas les feux avec flammes qui émettent très peu d'imbrûlés et de monoxyde de carbone.These types of detectors are however only usable in the context of the detection of smoldering fires for which the carbon monoxide CO emission is sufficiently high. They do not detect fires with flames that emit very little unburnt and carbon monoxide.
Etant donné qu'ils ne détectent que les feux couvant, le champ d'application de ce type de capteurs utilisés seuls est relativement restreint et ils doivent généralement être couplés à d'autres types de capteurs (optiques, thermiques, ...).Since they detect only smoldering fires, the field of application of this type of sensor used alone is relatively small and they must generally be coupled to other types of sensors (optical, thermal, ...).
Les capteurs «catalytiques» à base d'oxyde d'étain SnO2 dopés ou d'oxyde de gallium Ga2Os présentent de nombreuses interférences et résistent très mal aux tests normalisés de corrosion en présence d'oxyde de soufre SO2. En outre, leur sensibilité est influencée par l'humidité ambiante."Catalytic" sensors based on doped tin oxide SnO 2 or Ga 2 O gallium oxide have many interferences and very poorly resist standardized corrosion tests in the presence of SO 2 sulfur oxide. In addition, their sensitivity is influenced by ambient humidity.
Ces capteurs travaillent à la température ordinaire sur un principe d'adsorption et de désorption des gaz émis lors d'une combustion. Il ne s'agit donc plus de capteurs «catalytiques», mais de capteurs «à adsorption» de gaz de combustion à la surface du semiconducteur.These sensors work at ordinary temperature on a principle of adsorption and desorption of the gases emitted during a combustion. It is no longer a question of "catalytic" sensors, but of "adsorption" sensors for combustion gases on the surface of the semiconductor.
A priori, le fait de travailler à la température ordinaire peut présenter un intérêt certain sur le plan de la consommation d'énergie car le capteur ne doit pas être chauffé. La consommation d'énergie d'un capteur est, en effet, un facteur très important car sur une ligne de contrôle qui peut en contenir plusieurs centaines, il faut prévoir une alimentation par batterie qui en cas de coupure de l'alimentation par le secteur doit pouvoir maintenir la surveillance pendant 72 heures. Si la consommation de chaque détecteur est trop élevée, la quantité et le coût des batteries requises deviennent prohibitifs. Toutefois, ces capteurs utilisables à la température ordinaire présentent des fluctuations très importantes du signal de base selon révolution de la composition de l'atmosphère et de la température ambiante. La détection d'un foyer ne peut dans ce cas être effectuée que par des moyens électroniques sophistiqués qui évaluent notamment l'évolution de la réponse d'un capteur pendant des laps de temps prédéterminés.A priori, working at room temperature may be of interest in terms of energy consumption because the sensor should not be heated. The energy consumption of a sensor is, indeed, a very important factor because on a control line that can contain several hundred, it is necessary to provide a battery supply that in case of power failure by the sector must be able to maintain surveillance for 72 hours. If the consumption of each detector is too high, the quantity and the cost of the required batteries become prohibitive. However, these sensors usable at ordinary temperature exhibit very large fluctuations of the basic signal according to the revolution of the composition of the atmosphere and of the ambient temperature. The detection of a focus can in this case be performed only by sophisticated electronic means that evaluate in particular the evolution of the response of a sensor for predetermined periods of time.
En effet, la phtalocyanine est un semi-conducteur dont la semi-conductivité est conditionnée notamment par l'oxygène de l'air, mais surtout par les polluants atmosphériques naturels tels l'ozone et les oxydes d'azote (la résistivité p fluctuant entre 107 et 109 Ω"1cm "1 ). Par contre, dans le vide ou sous atmosphère inerte, il est complètement isolant (p > 1015 Ω"1cm "1).Indeed, phthalocyanine is a semi-conductor whose semi-conductivity is conditioned in particular by oxygen in the air, but especially by natural atmospheric pollutants such as ozone and nitrogen oxides (the resistivity p fluctuating between 10 7 and 10 9 Ω "1 cm " 1 ). For against, in a vacuum or under an inert atmosphere, it is completely insulating (p> October 15 Ω "1 cm" 1).
Ces capteurs utilisés à température ambiante sont donc très sensibles à la teneur en ozone O3, en oxydes d'azote NOx et à l'humidité de l'atmosphère. La dépendance de ces capteurs à l'ozone et aux oxydes d'azote limite fortement leur utilisation car la sensibilité des détecteurs fluctue comme la teneur en ces polluants atmosphériques en fonction de la saison. Il importe donc de réaliser des capteurs présentant une sensibilité beaucoup plus importante aux agents gazeux à déceler, comme les gaz de combustion, que celle qu'ils présentent aux éléments dopant naturels et aux gaz interférents.These sensors used at room temperature are therefore very sensitive to the ozone O3 content, NO x nitrogen oxides and atmospheric humidity. The dependence of these sensors on ozone and nitrogen oxides strongly limits their use because the sensitivity of the detectors fluctuates as the content of these atmospheric pollutants depending on the season. It is therefore important to make sensors with a much greater sensitivity to gaseous agents to be detected, such as flue gases, than they have to natural doping elements and interfering gases.
Lorsque la résistance évolue dans le sens d'une augmentation, la sensibilité S des capteurs est définie comme le rapport de la résistance Rag en présence de l'agent gazeux à détecter sur la résistance Ramb qu'il présente à l'ambiance à cet instant S1- = Rag / Ramb; si la résistance diminue, la sensibilité s'exprime par le rapport inverse Sj, When the resistance changes in the direction of an increase, the sensitivity S of the sensors is defined as the ratio of the resistance R ag in the presence of the gaseous agent to be detected on the resistance R am b that it presents to the atmosphere at this instant S 1 - = R ag / Ramb; if the resistance decreases, the sensitivity is expressed by the inverse ratio Sj ,
Etant donné que la phtalocyanine est un semi-conducteur conditionné par l'atmosphère ambiante, il est impossible de diminuer sa sensibilité à l'ozone en l'éliminant par un filtre, car dans ce cas la phtalocyanine redevient un isolant. Enfin, au cours du temps, les capteurs réalisés à base de phtalocyanine sous forme de poudre comme décrit dans EP 0 918 985 B1 , subissent un frittage qui diminue progressivement leur sensibilité.Since phthalocyanine is a semiconductor conditioned by the ambient atmosphere, it is impossible to reduce its sensitivity to ozone by eliminating it by a filter, because in this case the phthalocyanine becomes an insulator. Finally, over time, sensors made from phthalocyanine in powder form as described in EP 0 918 985 B1, undergo sintering which progressively decreases their sensitivity.
L'influence de l'humidité sur la réponse de ces capteurs constitue également un frein à leur utilisation. En effet, comme ces capteurs travaillent généralement sur la base de l'évolution de leur résistance en fonction du temps, de brusques variations du taux d'humidité dans l'air peuvent provoquer des fausses alarmes (ouverture de portes de salles de bain, douches, vapeurs dans une cuisine, ...) Cependant, outre la sensibilité aux fluctuations de l'atmosphère ambiante dont l'humidité, le fait d'utiliser des capteurs travaillant à température ambiante ouvre une autre problématique liée au temps de récupération des capteurs après l'action d'un agent atmosphérique de quelque nature qu'il soit : présence de fumée de cigarette, feu d'alcool pour fondues, bougies, solvants domestiques divers, parfums, foyers quelconques... Le temps de récupération, c'est-à- dire la durée du retour à la ligne de base usuelle par désorption des gaz adsorbés, devient relativement long ce qui induit lors d'une forte intoxication un effet de mémoire durant quelques heures à 24 heures et le détecteur reste non opérationnel durant cette période.The influence of humidity on the response of these sensors also hinders their use. Indeed, as these sensors generally work on the basis of the evolution of their resistance as a function of time, sudden changes in the humidity level in the air can cause false alarms (opening of bathroom doors, showers However, in addition to sensitivity to fluctuations in the ambient atmosphere including humidity, the fact of using sensors working at room temperature opens another problem related to the recovery time of the sensors after the action of an atmospheric agent of any kind: presence of cigarette smoke, alcohol fire for fondues, candles, various household solvents, perfumes, any fires ... The recovery time is the duration of the return to the usual basic line by desorption of the adsorbed gases, becomes relatively long which induces during a strong intoxication a memory effect during a few hours to 24 hours and the detector remains not operational during this period.
L'ensemble de ces problèmes rend leur utilisation très problématique en détection incendie puisque dans le domaine de la sécurité, la réponse doit impérativement être constante, reproductible dans le temps et à tout moment. La présente invention à pour but de réaliser un capteur de gaz émis par combustion qui est capable de détecter soit un feu avec flammes, soit un feu sans flammes, soit tant un feu avec qu'un feu sans flammes tout en étant que peu sensible aux fluctuations de l'atmosphère ambiante. A cette fin un capteur suivant l'invention est caractérisé en ce que ledit semi-conducteur est un semi-conducteur à adsorption directe de gaz sans réaction chimique catalysée, lequel capteur est agencé pour détecter des oxydes d'azote dans le cas d'un feu vif, et/ou pour détecter dans le cas d'un feu couvant des gaz partiellement imbrûlés, en particulier les alcools, les aldéhydes, les cétones, les acides carboxyliques, ou encore les aminés. Les capteurs conductimétriques ou résistifs à base d'oxydes métalliques semi-conducteurs à adsorption directe de gaz sans réaction chimique catalysée ainsi réalisés ne sont pas conditionnés par la composition de l'atmosphère ambiante (O2, O3, NOx, H2O, ...). Il a en outre été constaté, de façon surprenante, qu'en détectant des oxydes d'azote à l'aide d'un capteur comprenant des oxydes métalliques semi-conducteurs à adsorption directe de gaz sans réaction chimique catalysée, qu'il était possible de détecter un feu vif. De plus il a été constaté, également de façon surprenante, qu'en détectant des gaz partiellement imbrûlés à l'aide d'un capteur comprenant des oxydes métalliques semi-conducteurs à adsorption directe de gaz sans réaction chimique catalysée, qu'il était possible de détecter un feu couvant. Enfin ces capteurs peuvent être utilisés dans des gammes de températures supérieures à l'ambiance mais relativement basses, à savoir situées entre 150 et 350°C°.All of these problems make their use very problematic in fire detection since in the field of security, the response must imperatively be constant, reproducible over time and at all times. The object of the present invention is to provide a combustion-emitted gas sensor which is capable of detecting either a fire with flames, or a flameless fire, or both a fire with a flameless fire and being relatively insensitive to fire. fluctuations in the ambient atmosphere. For this purpose, a sensor according to the invention is characterized in that said semiconductor is a direct gas adsorption semiconductor without catalyzed chemical reaction, which sensor is arranged to detect oxides of nitrogen in the case of a high-fire, and / or to detect, in the case of a smoldering fire, partially unburned gases, in particular alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids, or the amines. The conductimetric or resistive sensors based on metal oxides semiconductors with direct adsorption of gas without catalyzed chemical reaction thus carried out are not conditioned by the composition of the ambient atmosphere (O2, O3, NO x , H 2 O,. ..). It has also been found, surprisingly, that by detecting nitrogen oxides using a sensor comprising metal oxides semiconductors direct adsorption of gas without catalyzed chemical reaction, it was possible to detect a bright fire. In addition, it has been found, also surprisingly, that by detecting partially unburned gases using a sensor comprising metal oxides semiconductors direct adsorption of gas without catalyzed chemical reaction, it was possible to detect a smoldering fire. Finally these sensors can be used in temperature ranges higher than the atmosphere but relatively low, namely between 150 and 350 ° C °.
Une première forme de réalisation préférentielle d'un capteur suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un élément chauffant, en particulier une résistance électrique, permettant de chauffer l'oxyde métallique à une température située entre 150 et 3500C. Ceci permet de chauffer le capteur et de l'amener ainsi dans une pluralité de plages d'utilisation en fonction de la température choisie. Cette pluralité de plages permet de régler la sensibilité du capteur en fonction de son utilisation finale comme exemple un détecteur d'incendie, de fumée de tabac, etc.A first preferred embodiment of a sensor according to the invention is characterized in that it comprises a heating element, in particular an electrical resistance, for heating the metal oxide at a temperature of between 150 and 350 ° C. This makes it possible to heat the sensor and thus bring it into a plurality of ranges of use as a function of the chosen temperature. This plurality of ranges makes it possible to adjust the sensitivity of the sensor according to its end use, for example a detector for fire, tobacco smoke, etc.
Une deuxième forme de réalisation préférentielle d'un capteur suivant l'invention est caractérisé en ce que l'oxyde métallique est choisi parmi l'oxyde de tungstène WO3, l'oxyde de chrome Cr2O3, l'oxyde de cuivre CuO, l'oxyde de lanthane La2O3, ou certains oxydes doubles tels que le CrxTiyθ3, ou un mélange de ceux-ci. Ces oxydes métalliques sont largement répandus dans le commerce.A second preferred embodiment of a sensor according to the invention is characterized in that the metal oxide is chosen from tungsten oxide WO 3 , chromium oxide Cr 2 O 3 , copper oxide CuO , lanthanum oxide La 2 O 3 , or certain oxides doubles such as Cr x Ti y θ3, or a mixture thereof. These metal oxides are widely distributed commercially.
Une troisième forme de réalisation préférentielle d'un capteur suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il est logé dans un boîtier muni d'une grille métallique. La présence de la grille métallique permet d'éviter les fluctuations dues aux évolutions d'ambiance et assure ainsi un meilleur fonctionnement du capteur.A third preferred embodiment of a sensor according to the invention is characterized in that it is housed in a housing provided with a metal grid. The presence of the metal grid makes it possible to avoid the fluctuations due to the evolutions of atmosphere and thus ensures a better functioning of the sensor.
L'invention concerne également un usage d'un ou plusieurs oxydes métalliques formant un semi-conducteur à adsorption directe de gaz sans réaction chimique catalysée et dont la résistance électrique change en fonction du gaz adsorbé pour détecter des oxydes d'azote dans le cas d'un feu vif et/ou pour détecter dans le cas d'un feu couvant des gaz partiellement imbrûlés, en particulier les alcools, les aldéhydes, les cétones, les acides carboxyliques, ou encore les aminés. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication et de calibrage d'un tel capteur.The invention also relates to a use of one or more metal oxides forming a direct adsorption gas-free semiconductor without catalyzed chemical reaction and whose electrical resistance changes as a function of the adsorbed gas to detect oxides of nitrogen in the case of a bright fire and / or to detect, in the case of a smoldering fire, partially unburned gases, in particular alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids or even amines. The invention also relates to a method for manufacturing and calibrating such a sensor.
Enfin l'invention concerne un procédé de fonctionnement d'un capteur suivant l'invention où l'élément chauffant est alimenté en courant électrique soit en mode continu soit en mode puisé. Ces modes de réalisation de ces capteurs permettent ainsi de limiter fortement la consommation d'énergie.Finally, the invention relates to a method of operating a sensor according to the invention wherein the heating element is supplied with electric current either in continuous mode or in pulsed mode. These embodiments of these sensors thus make it possible to greatly limit energy consumption.
L'invention sera maintenant décrite plus en détails à l'aide des dessins dans lesquels : la figure 1 a illustre le phénomène d'adsorption et de réaction catalytique par un oxyde métallique pour l'oxygène et le nono- oxyde de carbone; la figure 1 b illustre le phénomène d'adsorption directe sans réaction catalytique sur un oxyde métallique pour de l'oxyde d'azote et de formaldéhyde; la figure 2 illustre l'évolution de la résistance d'un capteur suivant l'invention durant un feu avec flamme; la figure 3 illustre l'évolution de la résistance d'un capteur suivant l'invention durant un feu sans flamme; la figure 4 illustre l'évolution de la résistance d'un capteur suivant l'invention en présence d'un gaz réducteur; la figure 5 illustre l'évolution de la résistance d'un capteur suivant l'invention en fonction de la température du capteur; et les figures 6, 7 et 8 illustrent des formes de réalisation de capteurs suivant l'invention.The invention will now be described in greater detail with the aid of the drawings in which: Figure 1a illustrates the adsorption and catalytic reaction by a metal oxide for oxygen and non-carbon monoxide; FIG. 1b illustrates the phenomenon of direct adsorption without catalytic reaction on a metal oxide for nitrogen oxide and formaldehyde; FIG. 2 illustrates the evolution of the resistance of a sensor according to the invention during a fire with a flame; FIG. 3 illustrates the evolution of the resistance of a sensor according to the invention during a flame-free fire; FIG. 4 illustrates the evolution of the resistance of a sensor according to the invention in the presence of a reducing gas; FIG. 5 illustrates the evolution of the resistance of a sensor according to the invention as a function of the temperature of the sensor; and Figures 6, 7 and 8 illustrate embodiments of sensors according to the invention.
Dans les dessins une même référence a été attribuée à un même élément ou à un élément analogue.In the drawings the same reference has been assigned to the same element or a similar element.
Les capteurs à base d'oxydes métalliques, tels l'oxyde d'étain Snθ2 ou de gallium Ga2θ3, travaillent généralement à des températures supérieures à 4000C. Dans l'atmosphère ambiante, leur semi-conductivité est conditionnée par l'oxygène de l'air qui s'adsorbe en surface. La figureia illustre qu'en présence d'un gaz combustible, tel que le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures et les hydrocarbures partiellement oxydés, subissent à la surface du capteur une combustion catalytique avec l'oxygène préalablement adsorbé. En effet, lorsque de l'oxygène, présent dans l'air ambiant, entre en contact avec les électrons libres de l'oxyde métallique de type n présent sur un substrat faisant partie du capteur, il y aura adsorption de cet oxygène et capture d'électrons libresThe sensors based on metal oxides, such as tin oxide SnO 2 or gallium Ga 2 O 3, generally work at temperatures above 400 ° C. In the ambient atmosphere, their semi-conductivity is conditioned by the oxygen of the air that adsorbs on the surface. The figure illustrates that in the presence of a combustible gas, such as carbon monoxide (CO), hydrocarbons and partially oxidized hydrocarbons undergo on the surface of the sensor a catalytic combustion with oxygen previously adsorbed. In fact, when oxygen, present in the ambient air, comes into contact with the free electrons of the n-type metal oxide present on a substrate forming part of the sensor, this oxygen will be adsorbed and captured. free electrons
02 + 2e- → 20 -02 + 2 e - → 20 -
II en résulte une diminution du nombre d'électrons libres et donc de la quantité d'oxygène adsorbée en surface. Par contre la résistance électrique du capteur va augmenter. Ces capteurs sont à classer parmi les capteurs dits «catalytiques» à base d'oxydes métalliques. De plus, lorsque du CO est présent dans l'atmosphère, il y aura une réaction catalytique avec l'oxygène qui a été adsorbé CO + O" → CO2 +e~ This results in a decrease in the number of free electrons and therefore in the amount of oxygen adsorbed on the surface. On the other hand, the electrical resistance of the sensor will increase. These sensors are to be classified among the so-called "catalytic" sensors based on metal oxides. In addition, when CO is present in the atmosphere, there will be a catalytic reaction with the oxygen that has been adsorbed CO + O " → CO2 + e ~
Ce qui va faire à nouveau augmenter le nombre d'électrons libres et diminuer la résistance du capteur. Le capteur suivant l'invention utilise un ou plusieurs oxydes métalliques dit à adsorption directe du gaz émis par la combustion sans réaction chimique catalysée, comme celle décrite au paragraphe précédent. La particularité de ces oxydes métalliques formant un semi- conducteur «à adsorption directe sans réaction chimique catalysée» tient d'une part au fait qu'il s'agit de semi-conducteurs non conditionnés en ce sens que la semi-conductivité est due entre autres aux défauts stoechiométriques et cristallins de la couche sensible même. La semi- conductivité naturelle n'est donc pas due à la présence d'oxygène ou de polluants atmosphériques sur la couche sensible. Il en résulte que dans le cas des semi-conducteurs à adsorption directe, la détection est due à une action directe et univoque du gaz à détecter sur le semi-conducteur sans réaction chimique catalysée préalable avec les espèces pré- adsorbées. La figurei b illustre ce phénomène. Lorsque par exemple un oxyde d'azote (NO2) entre en contact avec l'oxyde métallique du capteur suivant l'invention, il y aura capture d'électrons libres NO2 + e- → NO 2-This will again increase the number of free electrons and decrease the resistance of the sensor. The sensor according to the invention uses one or more metal oxides said to direct adsorption of the gas emitted by combustion without catalyzed chemical reaction, as described in the previous paragraph. The peculiarity of these metal oxides forming a "direct adsorption without catalyzed chemical reaction" semiconductor stems, on the one hand, from the fact that they are semiconductors not conditioned in the sense that the semiconductivity is due between others to stoichiometric and crystalline defects of the sensitive layer itself. The natural semi-conductivity is therefore not due to the presence of oxygen or atmospheric pollutants on the sensitive layer. As a result, in the case of direct adsorption semiconductors, the detection is due to a direct and unambiguous action of the gas to be detected on the semiconductor without prior catalyzed chemical reaction with the pre-adsorbed species. Figure 1b illustrates this phenomenon. When, for example, a nitrogen oxide (NO 2) comes into contact with the metal oxide of the sensor according to the invention, there will be capture of free electrons NO 2 + e → NO 2
Le nombre d'électrons libres va diminuer et la résistance du capteur va augmenter. En cas de présence d'aldéhyde (H2C=O) il y aura une libération d'électrons libres et une diminution de la résistance du capteur.The number of free electrons will decrease and the resistance of the sensor will increase. In case of presence of aldehyde (H2C = O) there will be a release of free electrons and a decrease in the resistance of the sensor.
Ainsi, par exemple, lors d'un feu vif et donc d'une combustion avec flammes, la température est relativement élevée et par réaction de l'oxygène et de l'azote atmosphérique, des oxydes d'azotes se forment et notamment du NO2. Il a maintenant été constaté de façon surprenante qu'une fois généré, ce gaz agit directement sur la couche sensible du capteur sans réaction chimique catalysée intermédiaire (figure 1 b). Comme l'oxyde d'azote NO2 est un oxydant puissant, il présente un effet capteur d'électrons libres présent dans le semi- conducteur et diminue de fait le nombre de porteurs de charge négatifs dans le cas d'un semi-conducteur du type n. Il en résulte une augmentation importante de la résistance électrique du capteur. Inversement, dans le cas d'un feu couvant et donc d'une combustion sans flammes, les gaz émis par le feu sont partiellement imbrûlés. Ces gaz sont partiellement oxydés et comprennent en particulier des alcools, des cétones, des aldéhydes des acides carboxyliques, des aminés, .... Ces molécules sont par leur structure électronique des donneurs d'électrons, qui vont donc par action directe augmenter le nombre de porteurs de charges négatifs d'un semiconducteur du type n. La résistance électrique du capteur diminue donc dans des proportions importantes. Le sens de ces évolutions de résistance est évidemment inversé en présence d'un semi-conducteur du type p.Thus, for example, during a high heat and therefore a combustion with flames, the temperature is relatively high and by reaction of oxygen and atmospheric nitrogen, oxides of nitrogen are formed and especially NO2 . It has now been found, surprisingly, that once generated, this gas acts directly on the sensitive layer of the sensor without an intermediate catalyzed chemical reaction (FIG. 1b). Since nitrogen oxide NO2 is a strong oxidant, it has a free electron-sensing effect present in the semiconductor and in fact decreases the number of negative charge carriers in the case of a semiconductor of the type not. This results in a significant increase in the electrical resistance of the sensor. Conversely, in the case of a smoldering fire and therefore of a combustion without flames, the gases emitted by the fire are partially unburned. These gases are partially oxidized and include in particular alcohols, ketones, aldehydes, carboxylic acids, amines, etc. These molecules are electronically structured electron donors, which therefore directly increase the number of of negative charge carriers of a n-type semiconductor. The electrical resistance of the sensor therefore decreases in significant proportions. The direction of these evolutions of resistance is obviously reversed in the presence of a p-type semiconductor.
Cette action directe des gaz à détecter rend généralement les capteurs à oxydes métalliques non conditionnés beaucoup plus sélectifs que les capteurs catalytiques conditionnés. L'invention est donc basée sur l'usage d'un ou plusieurs oxydes métalliques formant un semiconducteur à adsorption directe de gaz sans réaction chimique catalysée et dont la résistance électrique change en fonction du gaz adsorbé pour détecter des oxydes d'azote dans le cas d'un feu vif et/ou pour détecter dans le cas d'un feu couvant des gaz partiellement imbrûlés, en particulier les alcools, les aldéhydes, les cétones, les acides carboxyliques, ou encore les aminés.This direct action of the gases to be detected generally makes the unconditioned metal oxide sensors much more selective than the conditioned catalytic sensors. The invention is therefore based on the use of one or more metal oxides forming a direct adsorption gas semiconductor without catalyzed chemical reaction and whose electrical resistance changes as a function of the adsorbed gas to detect oxides of nitrogen in the case a bright fire and / or to detect, in the case of a smoldering fire, partially unburned gases, in particular alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids or even amines.
Le fait que la détection s'opère par action directe du gaz sans faire appel à une combustion catalytique avec l'oxygène a également des conséquences très importantes sur le comportement des capteurs. En effet, ils peuvent notamment être utilisés à des températures beaucoup plus faibles, en particulier dans une plage située entre 150 et 3500C. Cette plage est nettement inférieure à celle qu'utilisent les capteurs «catalytiques» à oxydes métalliques usuels et qui est située entre 400 et 9000C. Parmi les capteurs basés sur des oxydes métalliques non conditionnés à adsorption directe du gaz à déceler, on peut citer par exemple l'oxyde de tungstène WO3, l'oxyde de chrome Cr2θ3, l'oxyde de cuivre CuO, ou l'oxyde de lanthane La2θ3, voire certains oxydes doubles tels que le CrxTiyθ3. Ceux-ci sont des semi-conducteurs non conditionnés par l'atmosphère qui, de ce fait, sont beaucoup moins sensibles aux fluctuations atmosphériques naturelles. Ces oxydes peuvent être utilisés seuls, en mélange ou encore par couches superposées. En outre, étant donné la plus faible température de travail que les capteurs usuels à base d'oxydes «catalytiques», la réponse des capteurs est uniquement due à des équilibres d'adsorption et de désorption des gaz de combustion qui modifient leur résistance électrique. Les capteurs ainsi réalisés requièrent une électronique relativement simple. Il suffit, selon la configuration du capteur, de mesurer, par exemple, à l'ambiance une résistance électrique de l'ordre de 105 Ω et de fixer deux seuils d'alarme l'un à 107 Ω pour les feux couvant et l'autre à 103 Ω pour les feux vifs. Les feux mis en œuvre correspondent à ceux décrits par les normes européennes (EN54-7) et américaines (UL 268). La résistance électrique évolue donc d'un facteur 100 (S ≈ 100) dans un sens ou dans l'autre comme illustré aux figures 2 et 3. Les figures 2 et 3 illustrent l'évolution de la résistance d'un capteur suivant l'invention durant un feu avec flamme respectivement un feu sans flamme. Avec un feu avec flamme la résistance va augmenter alors qu'avec un feu sans flamme elle va diminuer, bien entendu si l'oxyde métallique utilisé est du type n. Toutefois au cours du temps la résistance évoluera très peu dans les ambiances usuelles (Smaχ ≈ 6). Ces évolutions à l'ambiance sont encore largement diminuées lorsque le capteur est placé dans un boîtier dont la paroi est munie d'une grille métallique (Smaχ ≈ 2). En effet, ces fluctuations à l'ambiance sont essentiellement dues à une faible sensibilité à l'ozone. Il en résulte que lorsque le capteur est placé dans son boîtier, l'ozone se détruit en grande partie sur les parois et n'influence ainsi pratiquement plus la résistance du capteur. La présence de cette grille métallique permet de réduire sensiblement les fluctuations dues aux évolutions d'ambiance et assure ainsi un meilleur fonctionnement du capteur. II faut également remarquer que les capteurs suivant l'invention sont largement insensibles aux fluctuations de l'humidité ambiante. Ces capteurs peuvent donc non seulement être utilisés dans des conditions usuelles présentant des fluctuations importantes d'humidité, mais aussi dans des applications plus particulières : milieu marin, séchoirs, saunas,The fact that the detection is effected by direct action of the gas without using catalytic combustion with oxygen also has very important consequences on the behavior of the sensors. Indeed, they can in particular be used at much lower temperatures, in particular in a range between 150 and 350 ° C. This range is much lower than that used by the "catalytic" sensors with conventional metal oxides and which is between 400 and 900 0 C. Among the sensors based on unconditioned metal oxides with direct adsorption of the gas to be detected, there may be mentioned, for example, tungsten oxide WO 3, chromium oxide Cr 2 θ 3, oxide of copper CuO, or lanthanum oxide La2θ3, or even some double oxides such as Cr x Ti y θ3. These are semi-conductors that are not conditioned by the atmosphere and are therefore much less sensitive to natural atmospheric fluctuations. These oxides can be used alone, as a mixture or in superposed layers. In addition, given the lower working temperature than the usual sensors based on "catalytic" oxides, the response of the sensors is solely due to the adsorption and desorption equilibria of the combustion gases which modify their electrical resistance. The sensors thus produced require relatively simple electronics. It suffices, depending on the configuration of the sensor, to measure, for example, the environment with an electrical resistance of the order of 10 5 Ω and to set two alarm thresholds, one at 10 7 Ω for smoldering fires and the other at 10 3 Ω for live fires. The lights used correspond to those described by European (EN54-7) and American (UL 268) standards. The electrical resistance therefore evolves by a factor of 100 (S ≈ 100) in one direction or the other as illustrated in FIGS. 2 and 3. FIGS. 2 and 3 illustrate the evolution of the resistance of a sensor according to FIG. invention during a fire with flame respectively a fire without flame. With a fire with flame the resistance will increase whereas with a fire without flame it will decrease, of course if the metal oxide used is of the type n. However over time the resistance will evolve very little in the usual atmospheres (S ma χ ≈ 6). These changes in the atmosphere are still greatly diminished when the sensor is placed in a housing whose wall is provided with a metal grille (S ma χ ≈ 2). Indeed, these fluctuations in the atmosphere are mainly due to a low sensitivity to ozone. As a result, when the sensor is placed in its housing, the ozone is largely destroyed on the walls and thus hardly affects the resistance of the sensor. The presence of this metal grid significantly reduces the fluctuations due to changes in atmosphere and thus ensures better operation of the sensor. It should also be noted that the sensors according to the invention are largely insensitive to fluctuations in ambient humidity. These sensors can therefore not only be used in usual conditions with significant fluctuations in humidity, but also in more specific applications: marine environment, dryers, saunas,
Le fait de disposer de capteurs dont la température est régulée permet également de les utiliser dans des lieux où les conditions de température sont comprises entre -50 et 3000C tels que, par exemple, les entrepôts frigorifiques ou les industries sidérurgiques, cimentières, ... Dans ces environnements, le milieu est souvent poussiéreux et les températures de l'ambiance très diverses (basses ou élevées).The fact of having sensors whose temperature is regulated also makes it possible to use them in places where the temperature conditions are between -50 and 300 ° C., such as, for example, cold stores or the steel, cement industry. .. In these environments, the environment is often dusty and the ambient temperatures very diverse (low or high).
Lors de l'apparition d'un feu vif avec flamme (figure 2), les capteurs décèlent l'apparition de l'oxyde d'azote NO2 qui est toujours émis dans ces conditions car la température de flammes est très élevée et dans ce cas l'oxyde d'azote se forme par réaction de l'azote et de l'oxygène de l'air. Lorsqu'il s'agit d'un semi-conducteur du type n, la présence de l'oxyde d'azote NO2, qui peut atteindre des teneurs de l'ordre de quelques ppm, diminue le nombre de porteurs de charges en surface du semi-conducteur et la résistance électrique du capteur augmente donc dans des proportions très importantes. Par exemple dans le cas d'un feu vif normalisé d'heptane la teneur en oxyde d'azote NO2 mesurée par chimiluminescence atteint ~1 ppm. La figure 2 (ligne pointillée) montre que la réponse du capteur soumis dans l'air à une teneur en NO2 de 1 ppm est exactement semblable. Ce gaz pourra donc être utilisé lors d'une procédure de calibration des capteurs ou lors des tests de sensibilité prévus par les normes. Remarquons que dans les ambiances usuelles, les teneurs en oxyde d'azote NO2 excèdent rarement 50 ppb. Lors de l'apparition d'un feu couvant (figure 3), les températures atteintes par le foyer sont beaucoup plus faibles et ne permettent pas la formation d'oxyde d'azote. Dans ce cas, les combustions sont incomplètes et donnent lieu notamment à l'apparition de gaz partiellement imbrûlés comprenant notamment des alcools ROH, des aldéhydes RHCO, des cétones RiR2CO ou des aminés R1R2R3N plus ou moins oxydées qui sont susceptibles, en s'adsorbant sur le capteur, d'augmenter en surface le nombre de porteurs de charge négatifs ce qui a pour effet de diminuer fortement la résistance d'un capteur réalisé avec un semi-conducteur du type n. La figure 4 montre que ces différents types de gaz présentant respectivement les fonctions alcool, aldéhyde, cétone et voire aminé ont un effet qui va dans le sens d'une diminution de la résistance électrique des capteurs. La figure 4 présente en effet la réponse du capteur à des injections de 1000 ppm de formaldéhyde, d'acétone et d'éthanol. Les feux couvant émettent tous ces types de gaz à des teneurs diverses selon la nature du combustible et la température du foyer. Tous ces gaz provoquent une évolution de la résistance du capteur dans le même sens et leurs effets sont cumulatifs. La détection pour les feux couvant ne peut donc être attribuée à un seul gaz mais à l'ensemble de ceux présentant ces types de fonction. Ces mêmes gaz partiellement imbrûlés peuvent également être utilisés pour calibrer le capteur. II est évident que les sens d'évolution de la résistance en fonction du type de foyer sont inversés en présence d'un semiconducteur du type p.During the onset of a bright fire with flame (Figure 2), the sensors detect the appearance of nitrogen oxide NO2 which is always emitted under these conditions because the flame temperature is very high and in this case Nitrogen oxide is formed by the reaction of nitrogen and oxygen in the air. In the case of an n-type semiconductor, the presence of nitrogen oxide NO 2 , which can reach levels of the order of a few ppm, reduces the number of surface charge carriers. semiconductor and the electrical resistance of the sensor therefore increases in very large proportions. For example, in the case of a normalized heptane fire, the NO 2 content of nitrogen oxide measured by chemiluminescence reaches ~ 1 ppm. Figure 2 (dashed line) shows that the response of the sensor submitted to air at a NO2 content of 1 ppm is exactly similar. This gas can therefore be used during a sensor calibration procedure or during the sensitivity tests provided by the standards. It should be noted that in normal atmospheres, nitrogen oxide NO2 levels rarely exceed 50 ppb. At the onset of a smoldering fire (Figure 3), the temperatures reached by the outbreak are much lower and do not allow the formation of nitrogen oxide. In this case, combustions are incomplete and give rise in particular to the appearance of partially unburned gases including in particular ROH alcohols, RHCO aldehydes, RiR 2 CO ketones or more or less oxidized R1R2R3N amines which are susceptible, by adsorbing on the sensor, to increase the number of negative charge carriers on the surface, which has the effect of greatly reducing the resistance of a sensor made with an n-type semiconductor. FIG. 4 shows that these different types of gas respectively presenting the alcohol, aldehyde, ketone and even amine functions have an effect that goes in the direction of a decrease in the electrical resistance of the sensors. Figure 4 indeed shows the response of the sensor to 1000 ppm injections of formaldehyde, acetone and ethanol. Smoldering fires emit all these types of gases at various levels depending on the nature of the fuel and the temperature of the furnace. All these gases cause an evolution of the resistance of the sensor in the same direction and their effects are cumulative. The detection for smoldering fires can not therefore be attributed to a single gas but to all of those having these types of function. These same partially unburned gases can also be used to calibrate the sensor. It is obvious that the directions of evolution of the resistance as a function of the type of focus are reversed in the presence of a p-type semiconductor.
Remarquons également que les capteurs concernés par la présente invention sont très spécifiques vis-à-vis des gaz émis lors d'une combustion (oxydes d'azote, aldéhydes, cétones, ...). En effet, contrairement aux oxydes métalliques «catalytiques» utilisés à plus haute température (>400°C) tel que par exemple l'oxyde d'étain, ils ne réagissent nullement aux gaz combustibles tels que l'hydrogène, le monoxyde de carbone, les alcanes (méthane, propane,...). Ce comportement est dû au fait que l'évolution de la résistance des capteurs est uniquement attribuable à l'adsorption des gaz de combustion à la surface des oxydes métalliques et non à une réaction catalytique entre ce gaz de combustion et l'oxygène préalablement adsorbé en surface comme c'est le cas pour les oxydes «catalytiques».Note also that the sensors concerned by the present invention are very specific vis-à-vis the gases emitted during a combustion (nitrogen oxides, aldehydes, ketones, ...). In fact, unlike the "catalytic" metal oxides used at higher temperatures (> 400 ° C.), such as, for example, tin oxide, they in no way react with combustible gases such as hydrogen and carbon monoxide. alkanes (methane, propane, ...). This behavior is due to the fact that the evolution of the resistance of the sensors is solely attributable to the adsorption of the combustion gases on the surface of the metal oxides and not to a catalytic reaction between them. combustion gas and oxygen previously adsorbed on the surface as is the case for "catalytic" oxides.
Le choix de la nature du semi-conducteur et de la température de fonctionnement, permet, en outre, d'augmenter ou de diminuer la sensibilité du capteur à des types de feux différents (avec ou sans flammes) comme illustré à la figure 5. Pour permettre ce réglage de température du capteur, ce dernier est équipé d'un élément chauffant, en particulier une résistance électrique. L'élément chauffant est agencé pour chauffer le semi-conducteur à une température située entre 150 et 3500C. Ainsi les capteurs suivant cette forme préférentielle de l'invention peuvent donc être adaptés aux circonstances particulières d'utilisation du capteur en fonction des types de risques rencontrés et du lieu (tunnels, parkings, industries, milieux poussiéreux, surchauffe de câbles électriques, ...). La figure 6 présente une configuration générale des capteurs. Ils comportent un support isolant 1 constitué par exemple d'alumine, de silicium oxydé en surface, de silicium muni de couches intercalaires telles que par exemple le nitrure de silicium, voire encore d'autres oxydes ou nitrures complètement isolants vis-à-vis des résistances des couches sensibles à mesurer (RSUpPort >»Rcouche sensible)- Lorsque cette condition est remplie, la nature du support a peu d'effets sur les performances, elle ne conditionne que les modes de réalisation et donc la consommation d'énergie électrique.The choice of the nature of the semiconductor and the operating temperature also makes it possible to increase or decrease the sensitivity of the sensor to different types of fire (with or without flames) as shown in FIG. To enable this temperature adjustment of the sensor, the latter is equipped with a heating element, in particular an electrical resistance. The heating element is arranged to heat the semiconductor to a temperature of between 150 and 350 ° C. Thus the sensors according to this preferred form of the invention can therefore be adapted to the particular circumstances of use of the sensor depending on the types of risks encountered and of the place (tunnels, car parks, industries, dusty environments, overheating of electric cables, ...). Figure 6 shows a general configuration of the sensors. They comprise an insulating support 1 consisting for example of alumina, of surface-oxidized silicon, of silicon provided with interlayer layers such as, for example, silicon nitride, or even other oxides or nitrides which are completely insulating with respect to resistances of the sensitive layers to be measured (R SU p ort P> "Rcouche sensitive) - When this condition is fulfilled, the nature of the support has little effect on performance, it determines that the embodiments and therefore consumption 'electric energy.
Ce support est classiquement muni de deux électrodes interdigitées 2 constituées d'un métal noble tel que par exemple l'or, le platine,..., voire même l'oxyde de ruthénium RuÛ2. La réalisation de ce circuit dépend du type de support utilisé. Par exemple, sur des supports d'alumine il peut être réalisé par sérigraphie d'encres contenant les métaux à déposer ou par dépôt de la poudre métallique (dispersée dans un solvant et étalée en couche mince) suivie d'un frittage par laser. Sur des supports à base de silicium, les électrodes peuvent être réalisées par les techniques usuelles de photolithographie utilisées dans le domaine de la microélectronique.This support is conventionally provided with two interdigitated electrodes 2 made of a noble metal such as, for example, gold, platinum, etc., or even ruthenium oxide RuO 2. The realization of this circuit depends on the type of support used. For example, on alumina supports it can be produced by screen printing of inks containing the metals to be deposited or by deposition of the metal powder (dispersed in a solvent and spread out in a thin layer) followed by laser sintering. On silicon-based substrates, the electrodes can be made by the usual photolithography techniques used in the field of microelectronics.
Le support est de préférence également muni de l'élément chauffant formé par une résistance chauffante 3 constituée soit de silicium polychstallin (appelé aussi polysilicium) soit d'oxyde de ruthénium ou encore d'un serpentin de métal noble tel que, par exemple, le platine dont la résistance électrique présente un excellent coefficient de température (0,3 %/°K) qui permettra de fixer avec précision la température de travail du capteur. Le dépôt de cette résistance peut être réalisé par les mêmes techniques que celles utilisées pour le dépôt des électrodes. Cette résistance de chauffe peut se situer selon la configuration sur l'une ou l'autre face du support. Cet élément chauffant comporte de préférence des moyens de réglage de la température agencés pour, selon la température d'utilisation, régler la sensibilité du capteur soit pour détecter tous les types de feux, soit pour détecter lesdits feux couvant, soit pour détecter lesdits feux vifs. Ces moyens de réglage peuvent être formés en utilisant une résistance variable en tant résistance électrique ou en faisant varier le courant électrique alimentant la résistance électrique. La surface comprenant les électrodes est couverte par la couche sensible constituée du ou des oxydes métalliques semiconducteurs à adsorption non conditionnés par l'atmosphère ambiante. Les dépôts peuvent être réalisés par des techniques différentes selon leur domaine d'application. La nature des oxydes métalliques, les techniques mises en œuvre pour le dépôt de la couche sensible et les conditions d'utilisation telles que la température du capteur peuvent aussi se différencier selon le domaine d'application.The support is preferably also provided with the heating element formed by a heating resistor 3 consisting of either poly-silicon (also called polysilicon) or ruthenium oxide or a noble metal coil such as, for example, the platinum whose electrical resistance has an excellent coefficient of temperature (0.3% / ° K) that will accurately set the working temperature of the sensor. The deposition of this resistance can be achieved by the same techniques as those used for electrode deposition. This heating resistor can be located according to the configuration on one or the other face of the support. This heating element preferably comprises temperature control means arranged to, depending on the temperature of use, adjust the sensitivity of the sensor either to detect all types of fires, or to detect said smoldering fires, or to detect said fires . These adjustment means can be formed by using a variable resistance as electrical resistance or by varying the electric current supplying the electrical resistance. The surface comprising the electrodes is covered by the sensitive layer consisting of the adsorption semiconducting metal oxide (s) not conditioned by the ambient atmosphere. The deposits can be made by different techniques depending on their field of application. The nature of the metal oxides, the techniques used for the deposition of the sensitive layer and the conditions of use such as the temperature of the sensor can also be differentiated according to the field of application.
En effet, comme décrit dans les exemples de réalisation, la détection d'incendie ne se réduit pas uniquement aux risques d'incendie dans le domaine domestique ou dans le domaine du tertiaire (building, administration, hôpitaux, hôtels, ...). Il importe également de disposer de capteurs susceptibles d'être utilisés par exemple dans les milieux industriels poussiéreux, dans les parkings couverts, dans les tunnels, les entrepôts frigorifiques, ...Indeed, as described in the exemplary embodiments, the fire detection is not reduced to fire risks only in the domestic sector or in the tertiary sector (building, administration, hospitals, hotels, etc.). It is also important to have sensors that can be used for example in dusty industrial environments, in covered car parks, tunnels, cold stores, etc.
Les dépôts de couche sensible peuvent être réalisés sur les supports par sérigraphie d'encres particulières. Celles-ci sont obtenues par la dispersion de la poudre d'oxydes métalliques semi-conducteurs à adsorption directe dans un solvant organique qui contient les additifs adéquats (tensioactifs, épaississants, ...). Ces additifs ont notamment pour effet de maintenir les particules solides en suspension et d'éviter leur coagulation. Il importe donc de fixer leur charge de surface et leur potentiel électrique de surface ζ de manière à ce qu'elles se repoussent et ne s'agglomèrent pas. La taille des particules d'oxydes dispersées dans ces encres est comprise entre 0,005 et quelques μ.The sensitive layer deposits can be made on the supports by screen printing of particular inks. These are obtained by the dispersion of the powder of direct-adsorption semiconducting metal oxides in an organic solvent which contains the appropriate additives (surfactants, thickeners, etc.). These additives in particular have the effect of keeping the solid particles in suspension and to prevent their coagulation. It is therefore important to fix their surface charge and electrical surface potential ζ so that they repel and do not agglomerate. The size of the oxide particles dispersed in these inks is between 0.005 and a few μ.
Dans une première réalisation selon l'invention, le support est constitué d'une plaquette d'AI2θ3 de 3 x 3 mm et de 0,5 mm d'épaisseur, les électrodes disposées en doubles peignes interdigités ont par exemple une largeur de 150 μm et un espacement de 200 μm. La résistance chauffante (Rchauffe) située sur la même face est en platine et présente une résistance à 25°C de par exemple 17 Ω. Selon le domaine d'utilisation, la température sera fixée entre 150 et 3500C ce qui correspondra dans l'exemple choisi à des résistances fixées par la régulation électronique à respectivement 25,6 et 33,8 Ω.In a first embodiment according to the invention, the support consists of an Al 2 θ 3 wafer 3 × 3 mm and 0.5 mm thick, the electrodes arranged in interdigital double combs for example having a width of 150 μm and a spacing of 200 μm. The heating resistor (heating) located on the same side is platinum and has a resistance at 25 ° C for example 17 Ω. Depending on the field of use, the temperature will be set between 150 and 350 0 C which will correspond in the example chosen to resistances fixed by the electronic control respectively 25.6 and 33.8 Ω.
La couche sensible est déposée soit par un procédé sol-gel lorsque la taille des particules est très faible (< 10 μm) soit par sérigraphie de l'encre adéquate contenant notamment le ou les oxydes métalliques semi-conducteurs à adsorption directe du (des) gaz à détecter. La couche est alors soumise à un séchage et à une élimination thermique des adjuvants de l'encre. Le processus de dépôt par sol-gel ou par sérigraphie peut être répété un certain nombre de fois (une ou plusieurs couches identiques ou différentes) selon la sensibilité que l'on souhaite lui conférer. Lorsque la température est fixée à une valeur moyenne deThe sensitive layer is deposited either by a sol-gel process when the particle size is very small (<10 μm) or by screen printing of the appropriate ink containing in particular the direct adsorption semiconductor metal oxide (s). gas to be detected. The layer is then subjected to drying and thermal removal of the adjuvants of the ink. The sol-gel or screen-printing process can be repeated a number of times (one or more identical or different layers) depending on the sensitivity that it is desired to confer on it. When the temperature is set to an average value of
2500C (Rchauffe = 11 ,7 Ω), les résultats obtenus dans cette configuration sont ceux décrits par les figures 2 et 3 ce qui correspond à des sensibilités S d'environ 100 pour les feux couvant et les feux avec flammes.250 0 C (heating = 11.7 Ω), the results obtained in this configuration are those described in Figures 2 and 3 which corresponds to sensitivities S of about 100 for smoldering and fires with flames.
Lorsque la température est fixée à une valeur plus faible, de l'ordre de 2000C, la sensibilité S se situe autour de 50 pour les feux couvant et de 200 pour les feux avec flammes.When the temperature is set at a lower value, of the order of 200 ° C., the sensitivity S is around 50 for smoldering fires and 200 for fires with flames.
Inversement, lorsque la température est fixée à une valeur plus élevée, de l'ordre de 300°C, la sensibilité S se situe autour de 250 pour les feux couvant et de 30 pour les feux avec flammes.Conversely, when the temperature is set at a higher value, of the order of 300 ° C, the sensitivity S is around 250 for smoldering fires and 30 for fires with flames.
La figure 5 illustre l'évolution de la sensibilité S en fonction de la température T pour ces deux types de feux. Selon le type de risque à couvrir et le lieu d'utilisation, la température peut donc être ajustée à la valeur la plus adéquate.Figure 5 illustrates the evolution of the sensitivity S as a function of the temperature T for these two types of fires. Depending on the type of risk to be covered and the location of use, the temperature can be adjusted to the most appropriate value.
Dans cette première configuration, selon la température à atteindre, les consommations d'énergie électriques se situent autour de 300 mW.In this first configuration, depending on the temperature to be achieved, the electrical energy consumption is around 300 mW.
En détection incendie conventionnelle, où on ne souhaite aucune interférence et répondre parfaitement à tous les types de feux normalisés tels que décrit par les figures 2 et 3, on peut déposer jusqu'à six couches d'oxydes «à adsorption» ce qui détermine l'épaisseur des couches qui évolue ainsi entre, par exemple, 5 à 50 μ. L'épaisseur est, en effet, un facteur déterminant de la sensibilité du capteur. Par exemple, si l'on souhaite réaliser non pas un détecteur d'incendie mais plutôt un détecteur de fumée de tabac, la sensibilité est augmentée en réduisant, par exemple, à 1 le nombre de couches et en maintenant la température dans le domaine qui augmente la sensibilité aux feux couvant. (haute température). Dans ces conditions, la présence d'un fumeur est aisément détectée, puisque la sensibilité S atteint la valeur 30 en quelques minutes pour une cigarette à moitié consumée dans un local de 6 x 4 x 4 m. De même, pour les capteurs à faible nombre de couches, la surchauffe (sans combustion apparente ni émission de fumée visible) de câbles électriques peut être aisément détectée. En effet, bien que la combustion proprement dite n'ait pas encore commencé, les gaz occlus dans la gaine du câble sont dégazés. Ainsi, par exemple, dans une armoire électrique de 0,5 x 1 ,2 x 2 m, la simple surchauffe d'un câble électrique de 10 cm de longueur et de 1 ,5 mm2 à 800C provoque déjà une évolution de la résistance du capteur d'un facteur 100 (S = 100) en environ 2 minutes. Les résultats obtenus sont évidemment identiques s'il s'agit de la surchauffe d'un circuit imprimé plutôt que d'un câble ou plus généralement de la surchauffe de tout composant électrique comprenant dans sa structure des polymères organiques.In conventional fire detection, where no interference is desired and perfectly meet all types of standardized fires as described in Figures 2 and 3, up to six "adsorption" oxide layers can be deposited which determines the layer thickness which thus varies between, for example, 5 to 50 μ. The thickness is, in fact, a determining factor of the sensitivity of the sensor. For example, if one wishes to realize not a fire detector but rather a smoke detector, the sensitivity is increased by reducing, for example, to 1 the number of layers and maintaining the temperature in the area that increases sensitivity to smoldering fires. (high temperature). Under these conditions, the presence of a smoker is easily detected, since the sensitivity S reaches the value 30 in a few minutes for a cigarette half-consumed in a room of 6 x 4 x 4 m. Similarly, for sensors with low number of layers, the overheating (without visible combustion or visible smoke emission) of electrical cables can be easily detected. Indeed, although the actual combustion has not yet begun, the occluded gases in the cable sheath are degassed. Thus, for example, in an electrical cabinet of 0.5 x 1, 2 x 2 m, the simple overheating of an electric cable 10 cm long and 1.5 mm 2 at 80 0 C already causes a change in the resistance of the sensor by a factor of 100 (S = 100) in about 2 minutes. The results obtained are obviously identical if it is the overheating of a printed circuit rather than a cable or more generally the overheating of any electrical component comprising in its structure organic polymers.
Dans une deuxième configuration (figure 5), le capteur est réalisé sur des supports en silicium oxydé ou nitruré (4=substrat, 1 =oxyde ou nitrure). Ces supports de 2 x 2 x 1 ,5 mm sont creusés dans la masse du substrat de silicium sur leur face inférieure de manière à réduire fortement leur épaisseur à l'endroit où seront disposées les électrodes et la résistance chauffante (3). Ces électrodes (2) sont déposées par les techniques de photolithographie classiques de la microélectronique. Dans ce cas, soit la surface supérieure du capteur est rendue rugueuse pour que les couches d'oxydes puissent être déposées comme précédemment par sérigraphie, par un procédé sol-gel ou par pulvérisation cathodique «sputtering», soit la surface est lisse et seules les deux dernières techniques peuvent être mises en oeuvre. La pulvérisation cathodique fait, par exemple, appel lors de la réalisation d'une couche d'oxyde de tungstène WO3 à une cathode de tungstène et une faible pression partielle d'oxygène.In a second configuration (FIG. 5), the sensor is made on oxidized or nitrided silicon supports (4 = substrate, 1 = oxide or nitride). These 2 x 2 x 1.5 mm supports are hollowed out of the bulk of the silicon substrate on their underside so as to greatly reduce their thickness at the location where the electrodes and the heating resistor (3) will be arranged. These electrodes (2) are deposited by conventional photolithography techniques of microelectronics. In this case, either the upper surface of the sensor is roughened so that the oxide layers can be deposited as previously by screen printing, by a sol-gel process or by sputtering, ie the surface is smooth and only the two last techniques can be implemented. Sputtering is, for example, used when producing a tungsten oxide WO3 layer at a tungsten cathode and a low oxygen partial pressure.
Pour la chauffe, une autre configuration consiste à encercler, sur la face supérieure, les électrodes par un serpentin de platine ou de polysilicium. Les capteurs ainsi réalisés présentent les mêmes performances que ceux réalisés sur alumine AI2O3 mais la consommation électrique est réduite d'un facteur quinze (soit, par exemple, 20 mW).For heating, another configuration is to encircle, on the upper face, the electrodes by a platinum coil or polysilicon. The sensors thus produced have the same performance as those made on AI2O3 alumina but the power consumption is reduced by a factor of fifteen (ie, for example, 20 mW).
Une autre manière de réduire encore la consommation d'énergie consiste à faire fonctionner le capteur en un régime puisé er non en continu. Il s'agit, dans ce cas, d'alimenter la résistance de chauffe du capteur pendant, par exemple, 2 secondes toutes les 10 ou 20 secondes. La durée de chauffe et par conséquent la consommation électrique est fortement réduite et on peut ainsi selon les durées de chauffe et de pause choisies réduire à nouveau la consommation électrique d'un facteur cinq à 1dix.Another way to further reduce energy consumption is to operate the sensor in a pulsed and non-continuous mode. In this case, it is a question of feeding the heating resistance of the sensor during, for example, 2 seconds every 10 or 20 seconds. The heating time and consequently the power consumption is greatly reduced and it is thus possible, depending on the heating and pause times chosen, to reduce the power consumption again by a factor of five to one-half.
Dans une troisième configuration représentée sur la figure 6 (pas à l'échelle), le support de silicium (4) présente une forme rectangulaire dont les dimensions sont, par exemple 2 x 2 mm. Sur ce support, différentes couches soit d'oxyde soit de nitrure de silicium sont formées ou déposées sur la face supérieure 3. Ce support est également creusé sur sa face inférieure jusqu'à réduire son épaisseur à, par exemple, 5 μm. Au dessus de la surface creusée et dans un rectangle de, par exemple, 50 x 100 μm, les électrodes 2, la résistance chauffante 1 et la couche sensible sont déposées comme dans l'exemple précédent. Enfin une lamelle correspondant au rectangle où est située la couche sensible est découpée sur 3 côtés (figure 7). Le quatrième coté permettant d'établir les contacts électriques aux électrodes et à la résistance chauffante. Sous l'effet des tensions mécaniques de dilatation et compression des couches de silicium, d'oxyde et/ou de nitrure de silicium et sous l'effet de la température cette lamelle se soulève.In a third configuration shown in Figure 6 (not to scale), the silicon support (4) has a rectangular shape whose dimensions are, for example 2 x 2 mm. On this support, different layers of either oxide or silicon nitride are formed or deposited on the upper face 3. This support is also hollowed out on its underside to reduce its thickness to, for example, 5 microns. Above the excavated surface and in a rectangle of, for example, 50 x 100 microns, the electrodes 2, the heating resistor 1 and the sensitive layer are deposited as in the previous example. Finally a lamella corresponding to the rectangle where is located the sensitive layer is cut on 3 sides (Figure 7). The fourth side to establish the electrical contacts to the electrodes and the heating resistor. Under the effect of the mechanical tensions of expansion and compression of the layers of silicon, oxide and / or silicon nitride and under the effect of the temperature this lamella is raised.
Il en résulte que lors de l'alimentation de la résistance chauffante en régime continu ou puisé, seule cette lamelle extrêmement mince est chauffée et que les consommations énergétiques sont à nouveau fortement réduites (facteur deux à dix). Le comportement de ces capteurs vis-à-vis des différents types de foyers est évidemment le même, car la sensibilité ne dépend pas de l'étendue de la surface du capteur.As a result, when feeding the heating resistor in continuous or pulsed mode, only this extremely thin lamella is heated and the energy consumption is again strongly reduced (factor two to ten). The behavior of these sensors vis-à-vis different types of homes is obviously the same, because the sensitivity does not depend on the extent of the surface of the sensor.
L'ensemble de ces actions permet, selon le risque à couvrir et le domaine d'application, d'adapter le détecteur aux besoins réellement rencontrés. All of these actions make it possible, depending on the risk to be covered and the field of application, to adapt the detector to the needs actually encountered.

Claims

Revendications claims
1. Capteur de gaz émis par une combustion, lequel capteur comprend un ou plusieurs oxydes métalliques formant un semi- conducteur à adsorption dont la résistance électrique change en fonction du gaz adsorbé, caractérisé en ce que ledit semi-conducteur est un semiconducteur à adsorption directe de gaz sans réaction chimique catalysée, lequel capteur est agencé pour détecter des oxydes d'azote dans le cas d'un feux vif. A gas sensor emitted by combustion, which sensor comprises one or more metal oxides forming an adsorption semiconductor whose electrical resistance changes as a function of the adsorbed gas, characterized in that said semiconductor is a direct adsorption semiconductor. of gas without catalyzed chemical reaction, which sensor is arranged to detect oxides of nitrogen in the case of a live fire.
2. Capteur de gaz émis par une combustion, lequel capteur comprend un ou plusieurs oxydes métalliques formant un semiconducteur à adsorption dont la résistance électrique change en fonction du gaz adsorbé, caractérisé en ce que ledit semi-conducteur est un semiconducteur à adsorption directe de gaz sans réaction chimique catalysée, lequel capteur est agencé pour détecter dans le cas d'un feux couvant des gaz partiellement imbrûlés, en particulier les alcools, les aldéhydes, les cétones, les acides carboxyliques, ou encore les aminés.2. A gas sensor emitted by a combustion, which sensor comprises one or more metal oxides forming an adsorption semiconductor whose electrical resistance changes as a function of the adsorbed gas, characterized in that said semiconductor is a semiconductor with direct adsorption of gas without catalyzed chemical reaction, which sensor is arranged to detect in the case of a smoldering fires partially unburned gases, in particular alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids, or amines.
3. Capteur de gaz suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit semi-conducteur est un semi-conducteur à adsorption directe de gaz sans réaction chimique catalysée, lequel capteur est agencé pour détecter dans le cas d'un feux couvant des gaz partiellement imbrûlés, en particulier les alcools, les aldéhydes, les cétones, les acides carboxyliques, ou encore les aminés.3. Gas sensor according to claim 1, characterized in that said semiconductor is a direct adsorption gas semiconductor without catalyzed chemical reaction, which sensor is arranged to detect in the case of a smoldering gas fires partially unburned, in particular alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids or amines.
4. Capteur suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un élément chauffant, en particulier une résistance électrique, permettant de chauffer le semi-conducteur à une température située entre 150 et 3500C.4. Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises a heating element, in particular an electrical resistance, for heating the semiconductor to a temperature between 150 and 350 0 C.
5. Capteur de gaz suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément chauffant comporte des moyens de réglage de la température agencés pour, selon la température d'utilisation, régler la sensibilité du capteur soit pour détecter tous les types de feux, soit pour détecter lesdits feux couvant, soit pour détecter lesdits feux vifs. 5. Gas sensor according to claim 4, characterized in that the heating element comprises temperature control means arranged to, depending on the temperature of use, adjust the sensitivity of the sensor is to detect all types of fires, either to detect said smoldering fires or to detect said fires.
6. Capteur suivant la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'oxyde métallique et l'élément chauffant sont choisis de telle façon à permettre la détection de surchauffe de câbles ou de composants électriques comprenant des polymères organiques. 6. Sensor according to claim 4 or 5, characterized in that the metal oxide and the heating element are chosen so as to allow the detection of overheating of cables or electrical components comprising organic polymers.
7. Capteur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'oxyde métallique est choisi parmi l'oxyde de tungstène WO3, l'oxyde de chrome Cr2θ3, l'oxyde de cuivre CuO, l'oxyde de lanthane La2Os, ou certains oxydes doubles tels que le CrxTiyθ3, ou un mélange de ceux-ci. 7. Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the metal oxide is selected from WO3 tungsten oxide, chromium oxide Cr 2 θ 3, copper oxide CuO, oxide 2 Os lanthanum, or certain double oxides such as Cr x Ti y θ3, or a mixture thereof.
8. Capteur suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les oxydes métalliques sont appliqués en couches superposées.8. Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the metal oxides are applied in superposed layers.
9. Capteur suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est logé dans un boîtier muni d'une grille métallique.9. Sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that it is housed in a housing provided with a metal gate.
10. Capteur suivant les revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est agencé pour détecter de la fumée de tabac.10. Sensor according to claims 1 to 9, characterized in that it is arranged to detect tobacco smoke.
11. Usage d'un ou plusieurs oxydes métalliques formant un semi-conducteur à adsorption directe de gaz sans réaction chimique catalysée et dont la résistance électrique change en fonction du gaz adsorbé pour détecter des oxydes d'azote dans le cas d'un feu vif.11. Use of one or more metallic oxides forming a direct gas adsorption semiconductor without catalyzed chemical reaction and whose electrical resistance changes as a function of the adsorbed gas to detect oxides of nitrogen in the case of a live fire .
12. Usage d'un ou plusieurs oxydes métalliques formant un semi-conducteur à adsorption directe de gaz sans réaction chimique catalysée et dont la résistance électrique change en fonction du gaz adsorbé pour détecter dans le cas d'un feux couvant des gaz partiellement imbrûlés, en particulier les alcools, les aldéhydes, les cétones, les acides carboxyliques, ou encore les aminés.12. Use of one or more metal oxides forming a direct gas adsorption semiconductor without catalyzed chemical reaction and whose electrical resistance changes as a function of the adsorbed gas to detect, in the case of smoldering fires, partially unburned gases, in particular alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids or amines.
13. Usage suivant la revendication 11 ou 12, suivant lequel la température de fonctionnement du semi-conducteur est réglable à une température située entre 150 et 3500C.13. Use according to claim 11 or 12, wherein the operating temperature of the semiconductor is adjustable at a temperature between 150 and 350 0 C.
14. Procédé de fabrication d'un capteur de gaz émis par une combustion suivant l'une des revendications 1 à 10, suivant lequel on applique sur un support au moins un ou plusieurs oxydes métalliques formant un semi-conducteur à adsorption dont la résistance électrique change en fonction du gaz adsorbé, caractérisé en ce qu'en tant que semi-conducteur à adsorption un semi-conducteur à adsorption directe des gaz sans réaction chimique catalysée est appliqué.The method of manufacturing a combustion gas sensor according to one of claims 1 to 10, wherein at least one or more metal oxides forming an adsorption semiconductor whose electrical resistance changes according to the adsorbed gas are applied to a support, characterized in that, as an adsorption semiconductor, a direct adsorption semiconductor gases without catalyzed chemical reaction is applied.
15. Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que l'oxyde métallique est déposé en une ou plusieurs fois par l'une des techniques sérigraphie d'encres, procédé sol-gel ou par sputtering sur un support isolant en alumine ou en silicium couvert par des couches d'oxydes ou de nitrures de silicium, lequel support est ensuite muni d'électrodes ainsi que d'une résistance chauffante permettant de maintenir la température de la couche d'oxydes à une température choisie entre 150 et 3500C.15. The method of claim 14, characterized in that the metal oxide is deposited in one or more times by one of the ink-screen printing techniques, sol-gel process or by sputtering on an insulating support made of alumina or silicon. covered by layers of oxides or nitrides of silicon, which support is then provided with electrodes and a heating resistor for maintaining the temperature of the oxide layer at a temperature chosen between 150 and 350 ° C.
16. Procédé de fonctionnement d'un capteur suivant l'une des revendications 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que l'élément chauffant est alimenté en courant électrique soit en mode continu soit en mode puisé.16. A method of operating a sensor according to one of claims 4, 5 or 6, characterized in that the heating element is supplied with electric current either in continuous mode or in pulsed mode.
17. Procédé de calibrage d'un capteur suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la sensibilité du capteur est calibrée par des oxydes d'azote dans le cas des feux vifs et par des alcools, aldéhydes, cétones, acides caboxylique et aminés dans le cas des feux couvant. 17. A method of calibrating a sensor according to one of claims 1 to 10, characterized in that the sensitivity of the sensor is calibrated by nitrogen oxides in the case of fires and by alcohols, aldehydes, ketones, caboxylic acids and amines in the case of smoldering fires.
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