EP2281286A1 - Gefahrmelder - Google Patents

Gefahrmelder

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Publication number
EP2281286A1
EP2281286A1 EP08750099A EP08750099A EP2281286A1 EP 2281286 A1 EP2281286 A1 EP 2281286A1 EP 08750099 A EP08750099 A EP 08750099A EP 08750099 A EP08750099 A EP 08750099A EP 2281286 A1 EP2281286 A1 EP 2281286A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
sensor device
sensitive
metal oxide
semiconductor sensor
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Withdrawn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
EP08750099A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Goulet
Ulrich Hoefer
Isabelle Vinage
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.)
Siemens Schweiz AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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 Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2281286A1 publication Critical patent/EP2281286A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING SYSTEMS, e.g. PERSONAL CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/103—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • G01N21/53—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0062—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the measuring method or the display, e.g. intermittent measurement or digital display
    • G01N33/0063—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the measuring method or the display, e.g. intermittent measurement or digital display using a threshold to release an alarm or displaying means
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING SYSTEMS, e.g. PERSONAL CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/103—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device
    • G08B17/107—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device for detecting light-scattering due to smoke
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING SYSTEMS, e.g. PERSONAL CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/117—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means by using a detection device for specific gases, e.g. combustion products, produced by the fire

Definitions

  • the invention relates to the technical field of danger detection technology.
  • the invention particularly relates to a hazard detector having a gas-sensitive sensor device.
  • the invention further relates to a method for detecting a dangerous situation using such a danger detector.
  • Automatic fire detectors can detect fire or its formation based on the physical characteristics of the fire and subsequently trigger an alarm. This can be used to initialize firefighting measures and warnings to people inside a building. By alerting competent security personnel and / or the fire brigade, measures can be taken to protect property and personal safety. Thus, the risk of the spread of a fire can be significantly reduced.
  • An effective and reliable operation of the automatic fire detection systems is of great importance for use in homes, public facilities, transportation or industrial facilities. This is especially true for buildings that are difficult to evacuate, such as buildings with high ceilings
  • Hazard potentials such as hotels, single-family homes with many children, nursing homes, etc.
  • Known fire detectors are characterized by the detector or sensor principles used and their mode of action. For example, fire gas or flue gas detectors, heat detectors, smoke detectors, flame detectors and so-called multicriteria detectors are used for fire detection.
  • a fire gas or flue gas alarm triggers an alarm when the concentration of carbon monoxide, carbon dioxide or other combustion gases in a room reaches a certain level Value exceeds.
  • Fire gas or smoke detectors typically use a gas sensor.
  • a heat detector triggers an alarm when the room temperature exceeds a certain value, such as about 60 ° C, or within a certain time the ambient temperature rises above average.
  • Smoke detectors use various physical effects to detect smoke.
  • optical scattered light detectors for example, light scattering of smoke particles is used for fire smoke detection.
  • a flame detector uses characteristic emissions of a flame in a specific spectrum (infrared to ultraviolet) to detect a flame.
  • a so-called multi-criteria detector combines in a device e.g. an optical smoke detector and a heat detector. By evaluating several output signals, multi-criteria detectors can be made less sensitive to false alarms.
  • the above-mentioned detectors are only suitable for a simple classic detection of the fire or its emergence. You can not provide any further information regarding the fire or the development of the fire.
  • the invention is based on the object, a hazard detector and a method for detecting a dangerous situation under
  • Independent claim 1 describes a danger detector with a gas-sensitive semiconductor sensor device, an optical smoke detection device and an evaluation unit for evaluating a first output signal of the gas-sensitive semiconductor sensor device and a second output signal of the optical smoke detection device.
  • the above-mentioned danger detector is based on the knowledge that the functionality of a classic fire alarm can be extended by combining two different sensory principles in an advantageous manner.
  • An optimized choice of these principles may be of considerable importance in terms of effective and reliable operation of such a hazard detector. Criteria and constraints, such as low power consumption, sufficient sensitivity and cross-sensitivity, distinctness of a plurality of different signals, and economics, may be considered in the selection of the sensory principles to be combined.
  • a detection system of an optical smoke detector is advantageously combined with a detection system of a gas-sensitive semiconductor sensor (gas-sensitive semiconductor sensor device).
  • An evaluation unit can evaluate both an output signal of the optical smoke detector and an output signal of the gas-sensitive semiconductor gas sensor. However, the evaluation unit will preferably carry out an evaluation based on both output signals.
  • the evaluation unit may, for example, an analog-to-digital converter for converting and a multiplexer for combining identify the two output signals. Furthermore, the evaluation unit can identify a processor which is suitable for evaluating the two output signals individually or in a combination by means of a corresponding software. The evaluation unit can either be used together with the gas-sensitive
  • hazardous substances are hazardous gases and / or liquids, in particular fire-hazardous, fire-fighting substances, fire-accelerating substances, explosive gas mixtures and / or explosive dust.
  • Fire-hazardous substances can be substances that are particularly suitable for causing a fire hazard. For example, they may be flammable, highly flammable, highly flammable and self-ignitable substances.
  • Fire-accelerating substances can be understood to mean flammable chemical substances used to increase the rate of fire propagation. Examples of accelerating substances are liquids such as ethanol, gasoline or the like, which can be poured over objects to be burned.
  • fire-fighting substances are oxygen, oxygen-rich salts such as potassium chlorate, peroxides and fluorine.
  • the dangerous substance can be eliminated. Also can be warned in time before the occurrence of explosive gas mixtures. If, for example, a timely warning is no longer possible in the case of an arson, it is also possible to create a possibility of recognizing the potentially used fire-fighting substance and of initializing monitoring devices. Thus, for example, records of surveillance cameras can facilitate law enforcement.
  • the combination of the detection systems of the optical smoke detector and the gas-sensitive semiconductor sensor also makes it possible to detect explosive dust and / or its fire products.
  • dust can also be detected with an optical smoke detector. But if these are only so present in their nature or concentration that they can not be recognized as a typical fire smoke, then usually no alarm is triggered. If there is subsequently an ignition of the dust, the fire can be detected by means of the gas-sensitive semiconductor sensor and / or the optical smoke detector. An evaluation of the time course of the output signals then makes it possible to detect the dust as the cause of the fire.
  • the evaluation unit can compare and / or superimpose the output signals of the gas-sensitive semiconductor sensor and the optical smoke detector and / or relate the time profile of the output signals to one another in order to be able to estimate the cause of the fire.
  • a combined evaluation of the output signals both before a fire as well as during a fire can be performed.
  • another cause of fire or an additional latent fire hazard can be detected.
  • Information on possible causes of fire, together with information on dangerous situations, should be used against the background of a suitable choice of extinguishing agents, clarification of property protection issues, identification of causes such as arson, discharge of fire-fighting substances, plant defects, prosecution of an arsonist and warning and evacuation of persons very desirable.
  • the danger detector it becomes possible to realize a comprehensive extension of the safety concept in living rooms, public buildings, means of transport or industrial plants.
  • natural gas which can form an explosive gas mixture with the air and is a fire-demanding substance.
  • toxic gases such as carbon monoxide (CO), which may be released by defective incinerators.
  • a single device - the hazard detector - can trigger various types of alarms, such as a "fire” alarm, a "fire-demanding” alarm, a “CO” alarm, a "dust” alarm. Furthermore, relevant information regarding a determination of the cause of the fire and a recommendation for extinguishing agent can be determined. Also, control and control mechanisms of, for example, surveillance cameras and / or emergency exits can be activated.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device has a metal oxide semiconductor gas sensor.
  • metal oxide semiconductor gas sensors for hazard detectors may be advantageous as they are inexpensive, have high sensitivity, simple electronic circuitry, and a lifetime of up to several years. sen.
  • a metal oxide semiconductor gas sensor changes its electrical conductivity or resistance as soon as certain gases act on it.
  • gases that can be detected with metal-oxide-semiconductor gas sensors are, for example, propane, butane, methane, natural gas, carbon monoxide, sulfur dioxide, nitrogen monoxide and / or nitrogen dioxide.
  • Metal oxide semiconductor gas sensors can also be used to detect ammonia, alcohol, etc.
  • the metal oxide semiconductor gas sensor may be a gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer such as tin dioxide
  • the acceptor density at the surface of the metal oxide which determines the electrical conductivity is influenced by a gas reaction with the gas to be detected.
  • the conductivity or the resistance of the metal oxide semiconductor gas sensor can be changed.
  • a sequence of this gas reaction could be triggered and / or accelerated by heating the metal oxide semiconductor gas sensor and the selectivity required.
  • temperatures between 150 0 C and 900 0 C for example 150 ° C, 300 0 C, 500 ° C, 700 ° C or even 900 0 C are used.
  • temperatures between 150 0 C and 900 0 C for example 150 ° C, 300 0 C, 500 ° C, 700 ° C or even 900 0 C are used.
  • the nature of the gases reacts differently with the metal oxide surface.
  • the intensity of the Effect is also dependent on the selected temperature of the metal oxide.
  • the sensitivity of a Ga 2 O metal oxide sensor to carbon monoxide (CO) decreases to higher operating temperatures. That is, the relative conductivity change decreases with increasing temperature.
  • methane (CH 4 ) z. B. remains the sensitivity of Ga 2 0 3 obtained -Metalloxidsensors substantially with increasing temperature.
  • the metal oxide semiconductor gas sensor which can be heated and cooled down again correspondingly, since they have a low thermal mass, temporal aspects of the gas reaction can be included in the evaluation.
  • the property of the gases is based on being able to have different adsorption and desorption times; ie the residence time of the gases on the semiconductor surface may depend on the type of gas. These differences can be found in the temporal form of the sensor signal and can thus be included in the evaluation.
  • a lower working temperature on the other hand, can additionally provide for low power consumption.
  • the metal oxide semiconductor gas sensor may have a heating and cooling time of less than 100 ms. Ideally, the above-mentioned gas reaction is completely reversible and, in combination with a thermal cycling process, enables detection and discrimination of a variety of gases.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device has an arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors.
  • each individual metal oxide semiconductor gas sensor of the array of multiple metal oxide semiconductor gas sensors can react differently to a particular event. This results at any time in a signal pattern, which is composed of the individual output signals.
  • Signatures can subsequently be compared with entries stored in an event library and assigned to the entries, if necessary.
  • Each additional single metal oxide semiconductor gas sensor increases the detection reliability of an event.
  • Information derived from metal oxide semiconductor gas sensors does not require complete selectivity of the individual sensors to individual gases.
  • the metal oxide semiconductor gas sensor or the arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors has a carrier element with a thickness of less than 100 ⁇ m, preferably less than 50 ⁇ m and in particular less than 1 ⁇ m.
  • the support element may be formed as a thin membrane.
  • the metal oxide semiconductor gas sensor is micromechanically manufactured with such a support element.
  • An extremely thin cross section for a solid state warming line can result in very good thermal isolation of the metal oxide semiconductor material layer from remaining portions of the metal oxide semiconductor gas sensor. This can be a very low heating power requirements result to maintain a constant temperature. For example, only a few 10 mW are required in such metal oxide semiconductor gas sensors in order to stably maintain the metal oxide semiconductor material layer at a temperature of 400.degree.
  • the carrier element can be made for example of silicon nitride Si 3 N 4th
  • metal oxide semiconductor gas sensors In the case of an arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors, it may be constructed on a single support member. In this case, different gas-sensitive metal oxides and / or a differently treated metal oxide can be used, wherein the treatment of the metal oxide z. B. may have a doping or addition of a catalyst.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device has a gas-sensitive field-effect transistor.
  • gas-sensitive field-effect transistors may be advantageous since they (a) may have very small dimensions (for example approximately 2 mm 2 ), (b) can measure both in the heated state and at room temperatures, (c) have a long service life and (d) have a minimum power consumption.
  • the gas-sensitive field effect transistors for a measurement of leaks and an explosion warning can thus be used particularly advantageously.
  • the gas-sensitive field effect transistors are characterized by a simple signal readout.
  • the gas sensitive field effect transistors are also inexpensive and can be used in high numbers for production of gas sensors of various types.
  • a gas sensitive field effect transistor can be constructed as a modified CMOS FET. Gas detection may be based on a change in workfunction at a gate. Between the gate and a transistor channel, a small air gap is established, which is open to a gas space. Thus, a gas can be detected by the change in the work function on the gate, which is equipped with a gas-sensitive gate layer.
  • the gate provided with gas-sensitive layers can be constructed in a micromechanical manner in a whole wafer. For example, a measurement range may begin at approximately 100 ppm.
  • the low power consumption makes it possible to combine the gas sensitive field effect transistors with metal oxide semiconductor gas sensors.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device has an arrangement of a plurality of gas-sensitive field-effect transistors.
  • gas-sensitive field-effect transistors can be constructed by means of a hybrid construction, wherein a common base unit can be used by different gate coatings for different gases.
  • entire arrangements of gas-sensitive field-effect transistors can be realized inexpensively and in the smallest space and thus form a plurality of different gas sensors.
  • Each individual gas sensor of the arrangement of gas-sensitive field-effect transistors can react differently to a specific event. This results at any time in a signal pattern, which is composed of the individual output signals.
  • Signal patterns and / or corresponding signatures can subsequently be compared with the entry of a stored event library and assigned to this entry if necessary.
  • Each additional individual sensor increases the detection reliability of an event.
  • the field effect transistors and arrangements of field effect transistors may also be particularly well suited to exploit intelligent control and evaluation methods, to reliably detect fire situations, to distinguish fire types and relevant gases from each other, and to be able to identify different hazardous situations.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device is set up for the detection of a hazardous substance.
  • the detection of hazardous substances can be very important in terms of early detection of a hazardous situation.
  • the hazardous substance can be eliminated. It is also possible to warn in good time about the occurrence of potentially explosive gas mixtures. If, for example, a timely warning is no longer possible in the case of an arson, it is also possible to create a possibility of recognizing the potentially fire-resistant substance used and subsequently initializing monitoring devices.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device has a heating element.
  • a metal oxide semiconductor gas sensor has an integrated heating element.
  • the metal oxide semiconductor gas sensor can also be heated externally.
  • the field effect transistors are usually operated either unheated or continuously heated to moderate temperatures around 100 ° C.
  • a field effect transistor can also be equipped with a heating element, so that the field effect transistors or arrangements of field effect transistors can also be operated at different temperatures with the aid of this heating element. This can increase the selectivity or detection sensitivity of individual sensors, as in the case of metal oxide semiconductor gas sensors, and thus increase the detection reliability of an event.
  • the heating element may be constructed, for example, as a platinum heater or a polysilicon structure.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device can also have a temperature sensor. An output signal of the temperature sensor can advantageously be used to have another measurement signal available for the detection of a dangerous situation.
  • the average power consumption of the gas-sensitive semiconductor sensor device during operation is less than 10 mW, preferably less than 5 mW and in particular less than 1 mW.
  • the danger detector described preferably has a power consumption in the range of only a few mW.
  • a particularly low power consumption can be achieved with the mentioned hazard detectors, which are based on gas-sensitive semiconductor sensor devices.
  • modern, effective temperature modulation technologies can be used. This can result in a very low heating power requirement.
  • the good thermal insulation, in conjunction with a flat configuration of the metal oxide semiconductor gas sensor on the support member could result in an extremely small time constant for the heating and cooling of the support member, metal oxide semiconductor material layer and heating element.
  • the optical smoke detection device has a scattered light detector and / or a linear smoke detector.
  • Smoke detector allows reliable detection of smoke and / or dust.
  • the scattered light detectors and linear smoke detectors have a low power consumption.
  • the total power consumption of the danger detector can be kept low and remain in the range of a few mW.
  • Scattered light detectors can operate according to a scattered light method based on the so-called Tyndall effect. It uses the knowledge that clear air reflects or scatters virtually no light. But are smoke and / or dust particles in the air and thus in an optical chamber of the scattered light detector, a Pruf light beam, for example, an infrared light emitting diode (LED) is scattered on the smoke and / or dust particles. A portion of the resulting scattered light can then be detected by a light receiver such as a photodiode.
  • a Pruf light beam for example, an infrared light emitting diode (LED)
  • Scattered light detectors are well suited, for example, for the early detection of Schwelbranden with relatively large and bright smoke particles.
  • scattered light detectors can preferably be applied when, for example, in a Fire breakout with cold smoke is expected.
  • a very bright laser diode instead of a simple LED, a very bright laser diode can be used.
  • a linear smoke detector responds to a smoke-induced attenuation of an infrared light beam emitted by a transmitting unit and received by a receiving unit.
  • the linear smoke detectors may be well suited, for example, for monitoring large areas.
  • a method for detecting a dangerous situation using the inventive hazard alarm is specified.
  • a suitable method which advantageously takes into account the two sensory principles combined by the hazard detector, may allow a single hazard detector to be used, for example, for effective and reliable detection of fires, fires, hazardous gases, fire-fighting substances, explosive gas mixtures and dusting can.
  • the evaluation has a combination and / or a comparison of the first output signal and the second output signal.
  • the evaluation is carried out with respect to a time profile of the two output signals.
  • the evaluation unit can compare and / or superimpose the output signals of the gas-sensitive semiconductor sensor and the optical smoke detector and / or relate the time profile of the output signals to one another in order to be able to estimate the cause of the fire.
  • Such an evaluation of the output signals can be carried out both before a fire and during a fire.
  • an evaluation process is initiated in the evaluation unit by the exceeding of a predetermined threshold value of an output signal of the gas-sensitive semiconductor sensor device (115) and / or the optical smoke detection device (118).
  • the evaluation process which is triggered by the exceeding of the threshold value, it can be achieved, for example, that the evaluation process is carried out only at certain concentrations of certain gases and / or only at certain concentrations of smoke and / or dust particles.
  • the evaluation process can be triggered, for example, if the concentration exceeds a certain value or within a certain time, the concentration increases above average quickly.
  • the appropriate thresholds may be selected for a preferred application and / or functionality of the hazard alarm. For example, false alarms and / or unnecessary evaluation processes can thus be avoided.
  • the evaluation process can thus be triggered by means of a suitable trigger.
  • a heating element of the gas-sensitive semiconductor sensor device operated so variable in time that at least temporarily a change in the temperature of the gas sensor element occurs and the time course of the change in temperature is used as the heat measurement signal.
  • a warm measurement signal can be understood to mean a thermal recovery signal which is largely produced by an energy input from the gas reactions.
  • an exothermic oxidation of the gases to be detected on the gas-sensitive semiconductor sensor device the time course of the temperature change in response to a change in heating turn out differently than when the gases are not present or in a different concentration.
  • the shape of this time course can thus also be used as a large measure of these gases.
  • the heat measurement signal can also represent a heat conduction signal, which is generated predominantly by the heat conduction of gases.
  • a gas composition around the gas-sensitive semiconductor sensor device influences its thermal conductivity. If the gas-sensitive semiconductor sensor device is warmer than the surrounding gas, its cooling by the heat conduction of the gas will depend on the gas composition. This can be read off on the heating course or on the course of cooling of the gas-sensitive semiconductor sensor device.
  • the time course of the change in temperature ie the transient heat measurement signal
  • a temporal change in temperature can be considered directly after switching off the heating, ie the slope of the temperature-time behavior.
  • Another possibility is to look at the change in temperature after a predetermined time has elapsed.
  • Another possibility is to determine the time that elapses for a predetermined change in temperature.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device is heated in first time sections such that it at least reaches a temperature threshold, and in second time periods the gas-sensitive semiconductor sensor device is operated less heated or unheated than in the first time sections.
  • the duration and sequence of the first and second time periods as well as the second temperature is selected such that the average power consumption incurred by the operation of the heating element is less than an upper heating power limit, with 10 mW, preferably 5 mW, and 10 mW as the upper heating power limit in particular 1 mW is used.
  • the first and second sections can alternate and as a temperature threshold, for example 150 ° C can be used. At least one respective output signal of the gas-sensitive semiconductor sensor device from the second time segments can be taken into account. Alternatively, a course of a plurality of output signals of the gas-sensitive semiconductor sensor device can be taken into account in each case from the second time sections.
  • the gas-sensitive semiconductor sensor device is heated in such a way that it assumes further temperatures after a leveling of its temperature, the other temperatures also being selected such that the average power consumption resulting from the operation of the heating element, is smaller than the upper heating power limit.
  • the length of the first time periods can be less than 1 s and the length of the second time periods can be more than 10 s, whereby the sequence and duration of the time periods can be adjusted during operation.
  • the heating element can be operated within at least part of the time segments with a constant heating voltage or constant heating power set for each of these periods.
  • FIG. 1 shows a danger detector
  • FIG. 2 shows a metal oxide semiconductor gas sensor
  • FIG. 3 shows a gas-sensitive field-effect transistor.
  • FIG. 4 shows an arrangement of a plurality of gas sensitive field effect transistors.
  • FIG. 5 shows an evaluation of output signals of a metal oxide semiconductor gas sensor and an optical smoke detection device.
  • FIG. 6 shows an evaluation of output signals of a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the structure of a danger detector 114.
  • the danger detector 114 has a basic element 117.
  • a micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 115, an optical smoke detection device 118 and an electronic circuit with an evaluation unit 119, a multiplexer 116 and a heating supply unit 120 are constructed on the base element 117.
  • the multiplexer 116 is connected to the metal oxide Semiconductor gas sensor 115, the optical smoke detection device 118, the heating supply unit 120 and the evaluation unit 119 and connected to a not shown heating element of the metal oxide semiconductor gas sensor 115.
  • the multiplexer 116 ensures that the output signals of the metal oxide semiconductor gas sensor 115 and the output signals of the optical smoke detection device 118 can be combined and / or compared in an evaluation process. Furthermore, the multiplexer 116 ensures that the heating supply unit 120 is connected to the heating element of the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 115 in the first time segments, and thus the metal oxide semiconductor gas sensor 115 is heated. Furthermore, in the second time periods, the heating element of the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 115 can be connected to the evaluation unit 119 either by means of the multiplexer 116 or directly. This eliminates the heating of the metal oxide semiconductor gas sensor 115 and a measurement of the ambient temperature by the evaluation unit 119 is made possible.
  • the heating supply unit 120 can also be connected directly both to the heating element of the metal-oxide-semiconductor gas sensor 115 and to the evaluation unit 119.
  • a control loop can be formed between the heating supply unit 120, the metal-oxide-semiconductor gas sensor 115 and the evaluation unit 119.
  • GasFET gas-sensitive field effect transistor
  • the GasFET can also be operated unheated.
  • FIG. 2 shows the cross section of a micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215.
  • the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215 has a carrier element 222, for example of silicon nitrite Si3N 4 on.
  • the support element 222 is usually square or rectangular and lies on a frame of silicon
  • the carrier element 222 has a heating element 224. This is in the example given as Maander resistor made of platinum.
  • the ground resistor 224 becomes in a region of the carrier element
  • the heating element 224 is covered by an insulating layer 223, which may, for example, comprise silicon dioxide (SiC> 2 ).
  • insulating layer 2223 On the insulating layer 223 finally sits a gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer 225, which may have, for example, doped with palladium tin dioxide.
  • the metal oxide semiconductor material layer 225 is usually contacted via metallic terminals, which are not shown in FIG.
  • the carrier element of the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215 is only about 1 ⁇ m thick in these examples.
  • This extremely thin cross section for the solid state warming line results in extremely good thermal insulation of heating element 224 and the gas sensitive metal oxide semiconductor material layer 225 from the remainder of the structure. This results in a very low heating power requirement to maintain a constant temperature.
  • only a few mW 10 are needed to maintain the gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer 225 stably at a temperature of, for example, 400 0 C, for example at such a micromachined metal oxide semiconductor gas sensors.
  • the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215 can thus reach a temperature of, for example, about 225 ° C. within less than 150 ms in the heated state. In the unheated state, ie after a switch-off time, the micromechanically produced metal oxide semiconductor gas sensor 215 can reach the ambient temperature even faster, namely in less than 100 ms.
  • FIG. 3 shows a gas-sensitive field-effect transistor 315, which will also be referred to below as the gasFET for short.
  • the GasFET 315 is based on a field effect design.
  • GasFET 315 includes a drain 335, a source 334, and a catalytic gate having a gas sensitive gate coating 336 to which gas molecules 339 can adsorb.
  • the gasFET 315 has a temperature sensor 333.
  • the temperature measured by the temperature sensor 333 is taken into account in the evaluation of the signal of the GasFET 315 in order to compensate for influences of the ambient temperature on the signal of the GasFET 315. This can be important if the GasFET 315 is not heated and is thus delivered directly to the ambient temperature.
  • the signal of the temperature sensor 333 can now be advantageously used in order to have available a further measurement signal for the detection of a dangerous situation.
  • FIG. 4 schematically shows an arrangement of a plurality of gas-sensitive field-effect transistors 415.
  • various semiconductor materials such as barium titanate doped copper oxide (BaTiO 3 / CuO) 436A, palladium-doped tin dioxide (Pa / SnO 2 ) 436B, Copper phthalocyanine (CuPC) 436C and polyamide (PA) 436D are used as gas sensitive gate coatings.
  • this order may include a CO 2 sensor 415A, a CO sensor 415B, a Have N ⁇ 2 sensor 415C and a humidity sensor 415D.
  • the arrangement of a plurality of gas-sensitive field effect transistors may alternatively replace the metal oxide semiconductor gas sensor 115 in the hazard alarm 114 or be used in addition to this.
  • an arrangement of a plurality of gas sensitive metal oxide semiconductor gas sensors may alternatively replace the metal oxide semiconductor gas sensor 115 in the hazard alarm 114 or be used in addition thereto.
  • Figure 5 shows a flow of an evaluation of output signals of a metal oxide semiconductor gas sensor and an optical smoke detection device.
  • the gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor is preferably operated by temperature pulses and different temperature ramps with a suitable temperature pulse method 551.
  • the gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor is heated accordingly, for example, suitable current or voltage pulses are applied to the heating element 224 shown in FIG. 2 by the heating supply unit 120 of the gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor 115 shown in FIG.
  • the gas reactions at the gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer will proceed differently, so that the metal oxide semiconductor gas sensor supplies a characteristic of the detected gas molecules output signal. This can be evaluated by means of a subsequent pattern recognition method 552A.
  • Signatures can be understood, for example, to be gas-characteristic reaction curves which show, for example, the resistance and / or the impedance of the metal oxide semiconductor gas sensor.
  • signatures can be understood to mean the corresponding rise curves of the resistance and / or the impedance of the metal-oxide-semiconductor gas sensor.
  • the measured signatures can be compared with signatures stored in a database.
  • the evaluation may provide information as to whether a fire-demanding substance is present.
  • the type of the existing fire-fighting substance can be determined.
  • a concentration of one or more hazardous gases such as CO may be reported.
  • the information as to whether a combustion gas is present and possibly also its concentration can be provided.
  • the information about the time profile of the output signal and / or the concentrations of the gases to be detected can be given.
  • an evaluation of the output signal of the control light detector or the linear smoke detector is performed.
  • This output signal can also be evaluated by means of a pattern recognition method 552B.
  • signatures of smoke and dust are detected.
  • the signatures can in the case of the control light detector, the time course of the intensity and / or the Flackerfrequenz and / or the Signalabdgingtial. Increase rate of scattered light have.
  • the signatures may include the time course of the intensity and / or the flicker frequency and / or the rate of decrease or decrease of the transmitted light received by the receiving unit. These signatures can be compared to signatures stored in a database.
  • the evaluation may, for example, provide the information as to whether smoke and / or dust is present. Furthermore, as a result, the type and concentration of the smoke and / or dust particles can be reported. Also, as a result, the information about the temporal Course of the output signal and / or the concentrations of smoke and / or dust particles are supplied.
  • the two output signals of the metal oxide semiconductor gas sensor and the optical smoke detection device are superimposed and compared 553.
  • the evaluation of the superposition and the comparison can be carried out similarly as described above by means of a pattern recognition method.
  • this evaluation may include an analysis of the time profile 553 of the output signals.
  • additional statements can be made, such as whether it burns without smoke, whether a fire was assisted and / or triggered by a fire-fighting substance.
  • an identification of the burning medium can be made.
  • measures and / or recommendations regarding the type of a suitable extinguishing agent and / or a control of various actuators can be output with this information.
  • the evaluation process by the evaluation unit can be triggered, for example, by exceeding a threshold value of the gas-sensitive semiconductor sensor device and / or the optical smoke detection device.
  • FIG. 6 shows a sequence of an evaluation of output signals of an arrangement of a plurality of gas-sensitive field effect transistors and an optical smoke detection device.
  • the evaluation 652A, 652B, 653 is carried out analogously to the evaluation described in relation to FIG.
  • output signals from different sensors 415A, 415B, 415C and 415D are available for the arrangement of a plurality of gas sensitive field effect transistors shown in FIG.
  • the evaluation of the output signals of the arrangement of a plurality of gas-sensitive field-effect transistors can be carried out in various ways. An evaluation method currently considered particularly suitable is described in the publication by U. Hoefer, A Felske, G. Sulz and K.
  • Example principal component analysis, multivariate data analysis and / or linear discriminant analysis are applied.
  • the sensory principles described in this application particularly emphasize the low power consumption, the low price, the high sensitivity to different gases and the stability of the sensors used.
  • the advantages mentioned represent an important prerequisite in order to realize the danger alarms described in this application and to enable their operation in electronic networks and bus systems.

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Abstract

Es wird ein Gefahrmelder (114) beschrieben, der eine gassensitive Halbleitersensoreinrichtung (115), eine optischen Rauchdetektionseinrichtung (118) und eine Auswerteeinheit (119) aufweist. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, um eine Auswertung eines ersten Ausgangssignals der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115) und eines zweiten Ausgangssignals der optischen Rauchdetektionseinrichtung (118) durchzuführen. Die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung (115) kann einen Metalloxidhalbleiter-Gassensor und/oder einen gassensitiven Feldeffekttransistor aufweisen. Ferner wird ein Verfahren zum Erkennen einer Gefahrsituation unter Verwendung des oben beschriebenen Gefahrmelders (114) angegeben. Die Auswertung kann optional ein Kombinieren und/oder einen Vergleich der beiden Ausgangssignale aufweisen. Ferner kann die Auswertung in Bezug auf einen zeitlichen Verlauf der beiden Ausgangssignale durchgeführt werden.

Description

Beschreibung
Gefahrmelder
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Gefahrmeldetechnik. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Gefahrmelder der eine gassensitive Sensoreinrichtung aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Erkennen einer Gefahrsituation unter Verwendung eines derartigen Gefahrmel- ders.
Automatische Brandmelder können Brande oder deren Entstehung anhand physikalischer Eigenschaften des Brandes erkennen und nachfolgend einen Alarm auslosen. Damit können Maßnahmen zur Brandbekämpfung initialisiert werden und Warnungen an Personen innerhalb eines Gebäudes ausgegeben werden. Durch eine Alarmierung von zustandigem Sicherheitspersonal und/oder der Feuerwehr können Maßnahmen zum Sach- und Personenschutz getroffen werden. Somit kann die Gefahr der Ausbreitung eines Brandes wesentlich reduziert werden. Eine effektive und zuverlässige Funktion der automatischen Brandmeldersysteme ist von einer sehr großen Bedeutung bei einem Einsatz in Wohnungen, öffentlichen Einrichtungen, Verkehrsmitteln oder Industrieanlagen. Dies gilt insbesondere für schwer zu evaku- ierende Gebäude, wie zum Beispiel für Gebäude mit hohen
Gefahrenpotenzialen wie Hotels, Einfamilienhausern mit vielen Kindern, Seniorenheimen usw..
Bekannte Brandmelder werden durch die benutzen Detektor- oder Sensorprinzipien und deren Wirkungsweise charakterisiert. Es werden zum Beispiel Brandgas- oder Rauchgasmelder, Wärmemelder, Rauchmelder, Flammenmelder und sogenannten Multikrite- rienmelder zur Branderkennung eingesetzt.
Ein Brandgas- oder Rauchgasmelder lost einen Alarm aus, wenn die Konzentration von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid oder anderen Verbrennungsgasen in einem Raum einen bestimmten Wert überschreitet. Brandgas- oder Rauchgasmelder verwenden typischerweise einen Gassensor.
Ein Wärmemelder lost einen Alarm aus, wenn die Raumtemperatur einen bestimmten Wert wie zum Beispiel etwa 60 °C überschreitet oder innerhalb einer bestimmten Zeit die Umgebungstemperatur überdurchschnittlich schnell ansteigt.
Rauchmelder verwenden verschiedene physikalische Effekte zu einer Erkennung von Brandrauch. In optischen Streulichtdetektoren wird zum Beispiel eine Lichtstreuung an Rauchpartikeln zu einer Brandrauchdetektion verwendet.
Ein Flammenmelder nutzt charakteristische Emissionen einer Flamme in einem bestimmten Spektrum (Infrarot bis Ultraviolett) zur Detektion einer Flamme.
Ein sogenannter Multikriterien-Melder vereint in einem Gerat z.B. einen optischen Rauchmelder und einen Wärmemelder. Durch eine Auswertung von mehreren Ausgangssignalen können Multikriterien-Melder weniger empfindlicher gegenüber Falschalarmen gemacht werden .
Jedoch sind die oben genannten Melder nur zu einer einfachen klassischen Detektion der Brande oder deren Entstehung geeignet. Sie können keine weiteren Informationen bezuglich des Brandes oder der Entstehung des Brandes liefern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gefahrmelder und ein Verfahren zum Erkennen einer Gefahrsituation unter
Verwendung dieses Gefahrmelders anzugeben, welche eine erhöhte Aussagekraft für eine Gefahrmeldung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelost durch die Gegenstande der unabhan- gigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhangigen Ansprüchen beschrieben . Mit dem unabhängigen Patentanspruch 1 wird ein Gefahrmelder mit einer gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung, einer optischen Rauchdetektionseinrichtung und einer Auswerteein- heit zur Auswertung eines ersten Ausgangssignals der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung und eines zweiten Ausgangssignals der optischen Rauchdetektionseinrichtung beschrieben .
Dem genannten Gefahrmelder liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Funktionsfahigkeit eines klassischen Brandmelders erweitert werden kann, indem zwei unterschiedliche sensorische Prinzipien vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Grundsatzlich ist es möglich, die für einen klassischen Brandmelder benutzten sensorischen Prinzipien auf verschiedene Art und Weise zu kombinieren. Eine optimierte Auswahl dieser Prinzipien kann von einer erheblichen Bedeutung in Bezug auf eine effektive und zuverlässige Funktion eines derartigen Gefahrmelders sein. Kriterien und Randbedingungen, wie zum Beispiel eine niedrige Leistungsaufnahme, ausreichende Sensitivitat und Querempfindlichkeit, eine Unterscheidbar- keit einer Mehrzahl von verschiedenen Signalen und wirtschaftliche Aspekte können bei der Auswahl der zu kombinierenden sensorischen Prinzipien berücksichtigt werden.
Bei dem genannten Gefahrmelder wird vorteilhaft ein Erkennungssystem eines optischen Rauchmelders (Rauchdetektionseinrichtung) mit einem Erkennungssystem eines gassensitiven Halbleitersensors (gassensitive Halbleitersensoreinrichtung) kombiniert. Eine Auswerteeinheit kann sowohl ein Ausgangssignal des optischen Rauchmelders als auch ein Ausgangssignal des gassensitiven Halbleitergassensors auswerten. Jedoch wird die Auswerteeinheit bevorzugt eine Auswertung durchfuhren, die auf beiden Ausgangssignalen basiert.
Die Auswerteeinheit kann zum Beispiel einen Analog-Digital- Umsetzer zum Umsetzen und einen Multiplexer zum Kombinieren der beiden Ausgangssignale ausweisen. Ferner kann die Auswerteeinheit einen Prozessor ausweisen, der geeignet ist die beiden Ausgangssignale einzeln oder in einer Kombination mittels einer entsprechenden Software auszuwerten. Die Aus- werteeinheit kann entweder zusammen mit der gassensitiven
Halbleitersensoreinrichtung und der optischen Rauchdetektion- seinrichtung auf einem Chip monolithisch integriert oder hybrid aufgebaut werden.
Somit wird es möglich, neben der klassischen Detektion von Branden auch Aussagen über andere Gefahrenlagen wie ein Vorhandensein oder einen Einsatz von gefahrlichen Stoffen zu machen. Beispiele für gefahrliche Stoffe sind gefahrliche Gase und/oder Flüssigkeiten, insbesondere brandgefahrliche, brandfordernde Stoffe, brandbeschleunigende Stoffe, explosive Gasgemische und/oder explosive Staube.
Brandgefahrliche Stoffe können Stoffe sein, die besonders geeignet sind, eine Brandgefahr herbeizufuhren. Es können zum Beispiel leicht brennbare, leicht entzündbare, leicht entflammbare und selbstentzundliche Stoffe sein. Unter brandbeschleunigenden Stoffen können brennbare chemische Stoffe verstanden werden, die dazu verwendet werden, die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Feuers zu erhohen. Beispiele für brandbeschleunigende Stoffe sind Flüssigkeiten wie Ethanol (Spiritus), Benzin oder ahnliche, die über abzubrennende Gegenstande vergossen werden können.
Stoffe, die eine Verbrennung unterstutzen aber selbst nicht brennbar sind, können als brandfordernde Stoffe bezeichnet werden. Beispiele für brandfordernde Stoffe sind Sauerstoff, Sauerstoffreiche Salze wie beispielsweise Kaliumchlorat , Peroxide und Fluor.
Wird zum Beispiel ein Vorhandensein von gefahrlichen Stoffen in einem Raum frühzeitig mittels des Gefahrmelders detek- tiert, dann kann der gefahrliche Stoff beseitigt werden. Auch kann rechtzeitig vor einem Auftreten explosionsfahiger Gasgemische gewarnt werden. Ist zum Beispiel bei einer Brandstiftung keine rechtzeitige Warnung mehr möglich, so kann zusatzlich eine Möglichkeit geschaffen werden, den möglicherweise genutzten brandfordernden Stoff zu erkennen sowie Uberwa- chungseinrichtungen zu initialisieren. Somit kann zum Beispiel mittels Aufzeichnungen von Uberwachungskameras eine Strafverfolgung vereinfacht werden.
Ferner können mit einem derartigen Gefahrmelder gegebenenfalls auch Aussagen über Brandursachen wie zum Beispiel Brandstiftung, Austritt von brandfordernden Substanzen, Anlagendefekte gemacht werden.
Durch die Kombination der Erkennungssysteme des optischen Rauchmelders und des gassensitiven Halbleitersensors wird auch eine Detektion von explosiven Stauben und/oder deren Brandprodukte möglich. Mit einem optischen Rauchmelder können grundsatzlich auch Staube erkannt werden. Sind diese aber in ihrer Beschaffenheit oder Konzentration nur derart vorhanden, dass sie nicht als brandtypischer Rauch zu erkennen sind, dann wird in der Regel kein Alarm ausgelost. Kommt es nachfolgend zu einer Entzündung des Staubes, so kann der Brand mittels des gassensitiven Halbleitersensors und/oder des optischen Rauchmelders erkannt werden. Über eine Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Ausgangssignale wird dann die Erkennung des Staubes als Brandursache möglich.
Die Auswerteeinheit kann die Ausgangssignale des gassensiti- ven Halbleitersensors und des optischen Rauchmelders vergleichen und/oder superponieren und/oder den zeitlichen Verlauf der Ausgangssignale zueinander in Beziehung setzen, um die Brandursache einschätzen zu können. Dabei kann eine kombinierte Auswertung der Ausgangssignale sowohl vor einem Brand auch als wahrend eines Brandes durchgeführt werden. Somit kann zum Beispiel eine weitere Brandursache oder eine zusatzliche latente Brandgefahr erkannt werden. Informationen über mögliche Brandursachen zusammen mit Informationen über Gefahrenlagen sind vor dem Hintergrund einer geeigneten Wahl von Loschmitteln, einer Klarung von Sachver- Sicherungsfragen, einer Ursachenermittlung wie beispielsweise Brandstiftung, Austritt von brandfordernden Substanzen, Anlagendefekte, einer Strafverfolgung eines Brandstifters sowie einer Warnung und Evakuierung von Personen sehr wünschenswert .
Mit dem genannten Gefahrmelder wird es möglich eine umfassende Erweiterung des Sicherheitskonzepts in Wohnräumen, öffentlichen Gebauen, Verkehrsmitteln oder Industrieanlagen zu realisieren. Unter anderem kann es möglich werden Erdgas zu detektieren, das mit der Luft ein explosives Gasgemisch bilden kann und ein brandfordernder Stoff ist. Auch wird es möglich giftige Gase wie zum Beispiel Kohlenmonoxid (CO) , welches möglicherweise durch defekte Verbrennungsanlagen freigesetzt wird, zu detektieren.
Somit kann ein einziges Gerat - der Gefahrmelder - verschiedene Arten von Alarmen, wie zum Beispiel einen Alarm „Brand", einen Alarm „brandfordernder Stoff", einen Alarm „CO", einen Alarm „Staub" auslosen. Ferner können relevante Informationen bezuglich einer Ermittlung der Brandursache und eine Loschmittelempfehlung ermittelt werden. Auch können Kontroll- und Steuerungs-Mechanismen von zum Bespiel Uberwachungskameras und/oder Notausgangen aktiviert werden.
Gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung einen Metalloxidhalbleiter-Gassensor auf.
Die Verwendung von Metalloxidhalbleiter-Gassensoren für Gefahrmelder kann vorteilhaft sein, da diese preiswert sind, eine hohe Empfindlichkeit, eine einfache elektronische Be- schaltung und eine Lebensdauer bis zu mehreren Jahren aufwei- sen. Em Metalloxidhalbleiter-Gassensor verändert seine elektrische Leitfähigkeit beziehungsweise seinen Widerstand, sobald bestimmte Gase auf ihn wirken. Typische Gase, welche mit Metalloxidhalbleiter-Gassensoren detektiert werden kon- nen, sind zum Beispiel Propan, Butan, Methan, Erdgas, Kohlen- monoxid, Schwefeldioxid, Stickstoffmonoxid und/oder Stickstoffdioxid. Metalloxidhalbleiter-Gassensoren können auch zum Nachweis von Ammoniak, Alkohol usw. eingesetzt werden. Der Metalloxidhalbleiter-Gassensor kann eine gassensitive Metall- oxid-Halbleitermateπal-Schicht wie zum Beispiel Zinndioxid
(SnO2) , Zmkoxid (ZnO) , Titandioxid (TiO2) , Wolframoxid (WO3) , Vanadiumpentoxid (V2Os) , Galliumoxid (Ga2O3) oder Chromtitanoxid (Cr2_xTix03+z) aufweisen. Um eine Selektivität auf bestimmte Gase zu erreichen können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden. Zu einem Nachwies von Kohlenmonoxid und/oder Stickstoffmonoxid und/oder Methan kann Zinndioxid, zu einem Nachweis von Stickstoffdioxid kann Wolframoxid und zu einem Nachweis von Ammoniak kann Cr2_xTix03+z eingesetzt werden. Dabei konnte es untere Nachweisgrenzen geben, die zum Beispiel bei Kohlenmonoxid bei ungefähr 5 ppm, bei Stickstoffmonoxid bei ungefähr 20 ppm, Stickstoffdioxid bei ungefähr 10 ppb, bei Methan bei ungefähr 200 ppm und bei Ammoniak bei ungefähr 5 ppm liegen konnten.
Die die elektrische Leitfähigkeit bestimmende Akzeptordichte an der Oberflache des Metalloxids wird durch eine Gasreaktion mit dem zu detektierenden Gas beeinflusst . Somit kann die Leitfähigkeit beziehungsweise der Widerstand des Metalloxid- halbleiter-Gassensors verändert werden. Im Betrieb konnte ein Ablauf dieser Gasreaktion mit einer Beheizung des Metalloxid- halbleiter-Gassensors ausgelost und/oder beschleunigt und die Selektivität gefordert werden. Abhangig von den verwendeten Materialien und den zu detektierenden Gasen können Temperaturen zwischen 1500C und 9000C, beispielsweise 150°C, 3000C, 500°C, 700°C oder sogar 9000C, verwendet werden. Je nach
Beschaffenheit der Gase reagieren diese mit der Metalloxidoberflache unterschiedlich stark. Die Intensität der Wechsel- Wirkung ist zudem von der gewählten Temperatur des Metalloxids abhangig. Z.B. nimmt die Sensitivitat eines Ga2Os- Metalloxidsensors auf Kohlenmonoxid (CO) zu höheren Betriebstemperaturen hin ab. D.h. die relative Leitfahigkeitsanderung verringert sich mit zunehmender Temperatur. Bei Methan (CH4) z. B. bleibt die Sensitivitat des Ga203-Metalloxidsensors im wesentlichen mit zunehmender Temperatur erhalten. Durch Verwendung eines Betriebsverfahrens, welches den Metalloxidhalbleiter-Gassensor z.B. zyklisch bei unterschiedlichen Temperaturen betreibt, können unter Verwendung geeigneter Auswerteverfahren, auf diese Weise Gase voneinander unterschieden werden. Zudem können bei Metalloxidhalbleitergas- Sensoren, die entsprechend schnell aufgeheizt und wieder abgekühlt werden können, da sie eine geringe thermische Masse haben, zeitliche Aspekte der Gasreaktion mit in die Auswertung einbezogen werden. Hier liegt die Eigenschaft der Gase zugrunde, unterschiedliche Ad- bzw. Desorbtionszeiten aufweisen zu können; d.h. die Verweildauer der Gase an der Halbleiteroberflache kann von der Gasart abhangig sein. Diese Unter- schiede können sich in der zeitlichen Form des Sensorsignals wiederfinden und können somit in die Auswertung mit einbezogen werden. Eine geringere Arbeitstemperatur kann hingegen zusatzlich für einen geringen Leistungsverbrauch sorgen. Dabei kann der Metalloxidhalbleiter-Gassensor je nach Ausfuh- rungsform eine Aufheiz- und Abkuhlzeit von weniger als 100 ms aufweisen. Die oben genannte Gasreaktion ist im Idealfall vollständig reversibel und in Kombination mit einem Temperaturwechselverfahren ermöglicht dies einen Nachweis und Unterscheidung einer Vielzahl von Gasen.
Mittels der Metalloxidhalbleiter-Gassensoren können besonders gut intelligente Ansteuer- und Auswerteverfahren zum Einsatz kommen, die dazu geeignet sein können, Brandsituationen sicher zu detektieren. Mittels der oben genannten intelligen- ten Ansteuer- und Auswerteverfahren können Brandtypen und relevante Gase voneinander unterschieden sowie unterschiedliche Gefahrsituationen erkannt werden. Gemaß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung eine Anordnung mehrerer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren auf.
Mit der Anordnung von Metalloxidhalbleiter-Gassensoren kann die Zahl der zu detektierenden Gasen erheblich erhöht werden. Somit kann ein Brand und/oder eine Brandgefahr früher erkannt werden. Auch kann somit eine Brandursache effektiver und vollständiger ermittelt werden. Jeder einzelne Metalloxidhalbleiter-Gassensor der Anordnung mehrerer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren kann unterschiedlich auf ein bestimmtes Ereignis reagieren. Es resultiert somit zu jedem Zeitpunkt ein Signalmuster, welches sich aus den Einzelausgangssignalen zusammensetzt. Diese Signalmuster und/oder entsprechende
Signaturen können nachfolgend mit in einer Ereignisbibliothek gespeicherten Eintragen verglichen und den Eintragen ggf. zugeordnet werden. Dabei erhöht jeder zusatzliche Einzel- Metalloxidhalbleiter-Gassensor die Detektionssicherheit eines Ereignisses. Durch die Vielzahl der aus einer Anordnung von
Metalloxidhalbleiter-Gassensoren stammenden Informationen ist eine vollige Selektivität der Einzelsensoren auf einzelne Gase nicht notwendig.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist der Metalloxidhalbleiter-Gassensor oder die Anordnung mehrerer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren ein Tragerelement mit einer Dicke von weniger als 100 μm, bevorzugt weniger als 50 μm und insbesondere weniger als 1 μm auf.
Das Tragerelement kann als eine dünne Membran ausgebildet sein. Vorzugweise wird der Metalloxidhalbleiter-Gassensor mit einem derartigen Tragerelement mikromechanisch hergestellt. Ein extrem dunner Querschnitt für eine Festkorperwarmeleitung kann zu einer sehr guten thermischen Isolation der Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht von restlichen Teilen des Metalloxidhalbleiter-Gassensors fuhren. Daraus kann ein sehr geringer Heizleistungsbedarf resultieren, um eine konstante Temperatur zu halten. So werden beispielsweise bei solchen Metalloxidhalbleiter-Gassensoren nur wenige 10 mW benotigt, um die Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht stabil auf einer Temperatur von 400 °C zu halten. Ferner konnte die gute thermische Isolierung im Zusammenspiel mit einem flachen Aufbau der restlichen Teile des Metalloxidhalbleiter- Gassensors auf dem Tragerelement zu einer extrem geringen Zeitkonstante für das Aufheizen und das Abkühlen von einzel- nen Komponenten des Metalloxidhalbleiter-Gassensors, wie zum Beispiel des Tragerelements und der Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht, fuhren. Das Tragerelement kann zum Beispiel aus Siliziumnitrid Si3N4 hergestellt werden.
In dem Fall einer Anordnung von mehreren Metalloxidhalbleiter-Gassensoren kann diese an einem einzelnen Tragerelement aufgebaut werden. Dabei können unterschiedliche gassensitive Metalloxide und/oder ein unterschiedlich behandeltes Metalloxid benutzt werden, wobei die Behandlung des Metalloxids z. B. eine Dotierung oder eine Zugabe eines Katalysators aufweisen kann.
Beispiele, wie einzelne Metalloxidhalbleiter-Gassensoren temperaturgepulst angesteuert werden und mit einem Musterer- kennungsverfahren ausgewertet werden, um mit einem einzigen mikromechanisch hergestellten Metalloxidhalbleiter-Gassensor Gase voneinander zu unterscheiden sind unter anderen beschrieben in:
A. Schütze, A. Gramm, T. Ruhl : Identification of Organic
Solvente by a Virtual Multisensor System with Hierarchical Classification, In: IEEE Sensors J, vol. 4, pp . 857-863, December 2004.
T. Kunt et al : Optimization of temperature programmed sensing for gas identification using micro-hotplate sensors, Sen- sors&Actuators B53 (1998), 24-43. R. E. Cavicchi, J. S. Suehle, K. G. Kreider, M. Gaitan and P. Chaparala : Fast Temperature Programmed Sensing for Micro- Hotplate Gas Sensors, IEEE Electron Device Letters, 16, (1995), 286-288.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung einen gassensitiven Feldeffekttransistor auf.
Ein Einsatz der gassensitiven Feldeffekttransistoren kann vorteilhaft sein, da diese (a) sehr kleine Abmessungen haben können (zum Beispiel ungefähr 2 mm2), (b) sowohl im beheizten Zustand als auch bei Raumtemperaturen messen können, (c) eine lange Lebensdauer haben und (d) einen minimalen Leistungsverbrauch haben. Die gassensitiven Feldeffekttransistoren für eine Messung von Leckagen und zu einer Explosionswarnung können damit besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Weiterhin zeichnen sich die gassensitiven Feldeffekttransistoren durch eine einfache Signalauslesung aus. Die gassensitiven Feldeffekttransistoren sind ferner kostengünstig und können für eine Produktion für Gassensoren verschiedener Art in hohen Zahlen verwendet werden.
Ein gassensitiver Feldeffekttransistor kann als modifizierter CMOS-FET aufgebaut werden. Eine Gasdetektion kann auf einer Änderung der Austrittsarbeit an einem Gatter basieren. Zwischen dem Gatter und einem Transistor-Kanal wird ein kleiner Luftspalt aufgebaut, der gegenüber einem Gasraum offen ist. Somit kann ein Gas durch die Änderung der Austrittsarbeit am Gatter nachgewiesen werden, das mit einer gassensitiven Gatterschicht ausgestattet ist.
Das mit gassensitiven Schichten versehene Gatter kann in mikromechanischer Weise in einem ganzen Wafer aufgebaut werden. Ein Messbereich kann zum Beispiel bei ungefähr 100 ppm beginnen. Der geringe Leistungsverbrauch ermöglicht es die gassensitiven Feldeffekttransistoren auch mit Metalloxidhalbleiter-Gassensoren zu kombinieren.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung eine Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren auf.
Ein wichtiger Vorteil der gassensitiven Feldeffekttransistoren ist, dass sie mittels einer hybriden Bauweise aufgebaut werden können, wobei eine gemeinsame Grundeinheit durch unterschiedliche Gatterbeschichtungen für verschiedene Gase verwendbar ist. Somit können ganze Anordnungen von gassensitiven Feldeffekttransistoren kostengünstig und auf kleinstem Raum realisiert werden und somit eine Mehrzahl von unter- schiedlichen Gassensoren bilden. Jeder einzelne Gassensor der Anordnung von gassensitiven Feldeffekttransistoren kann unterschiedlich auf ein bestimmtes Ereignis reagieren. Es resultiert somit zu jedem Zeitpunkt ein Signalmuster, welches sich aus den Einzelausgangssignalen zusammensetzt. Diese Signalmuster und/oder entsprechende Signaturen können nachfolgend mit Eintragen einer gespeicherten Ereignisbibliothek verglichen und diesen Eintragen ggf. zugeordnet werden. Dabei erhöht jeder zusatzliche Einzelsensor die Detektionssi- cherheit eines Ereignisses. Durch die Vielzahl der aus einer Anordnung von gassensitiven Feldeffekttransistoren stammenden Informationen ist eine vollige Selektivität der Einzelsensoren auf einzelne Gase nicht notwendig. Mit der Anordnung von gassensitiven Feldeffekttransistoren kann somit die Zahl der zu detektierenden Gasen erheblich erhöht werden. Somit kann ein Brand und/oder eine Brandgefahr früher erkannt werden.
Auch kann somit eine Brandursache effektiver und vollständiger ermittelt werden. Da die einzelnen gassensitiven Feldeffekttransistoren einen geringen Leistungsverbrauch haben, kann auch der gesamte Leistungsverbrauch der Anordnung gering gehalten werden. Ahnlich wie die Metalloxidhalbleiter- Gassensoren können auch die Feldeffekttransistoren und Anordnungen von Feldeffekttransistoren besonders gut geeignet sein intelligente Ansteuer- und Auswerteverfahren auszunutzen, die Brandsituationen sicher zu detektieren, Brandtypen und relevante Gase voneinander zu unterscheiden sowie unterschiedliche Gefahrsituationen erkennen zu können.
Ein Beispiel für eine Analyse von Gasmischungen, deren Prinzip leicht auf die hier angesprochenen Anordnungen von Feldeffekttransistoren übertragbar ist, wird beschrieben in:
U. Hoefer, A Felske, G. Sulz und K. Steiner: SnO2-
Multisensorsysteme für die Analyse von Gas- und Geruchsstoffgemischen, Tagungsband GMA-Tagung „Prozeßautomation in der Lebensmittelindustrie", 1.-2. Februar 1996.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung eingerichtet zur Detektion eines Gefahrstoffs .
Die Detektion der Gefahrstoffe kann sehr wichtig in Hinblick auf eine frühzeitige Erkennung einer Gefahrsituation sein.
Wird ein Vorhandensein von gefahrlichen Stoffen in einem Raum frühzeitig detektiert, kann der gefahrliche Stoff beseitigt werden. Auch kann rechtzeitig vor einem Auftreten explosions- fahiger Gasgemische gewarnt werden. Ist zum Beispiel bei einer Brandstiftung keine rechtzeitige Warnung mehr möglich, so kann zusatzlich eine Möglichkeit geschaffen werden den möglicherweise eingesetzten brandfordernden Stoff zu erkennen und nachfolgend Uberwachungseinrichtungen zu initialisieren.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung ein Heizelement auf .
In der Regel weist ein Metalloxidhalbleiter-Gassensor ein integriertes Heizelement auf. Es ist jedoch denkbar, dass der Metalloxidhalbleiter-Gassensor auch extern beiheizt werden kann . Die Feldeffekttransistoren werden in der Regel entweder unbeheizt betrieben oder kontinuierlich auf moderate Temperaturen um 100°C beheizt werden. Jedoch kann auch ein Feldef- fekttransistor mit einem Heizelement ausgestattet werden, so dass auch die Feldeffekttransistoren oder Anordnungen von Feldeffekttransistoren mit Hilfe dieses Heizelements bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden können. Dies kann, ahnlich wie bei den Metalloxid-Halbleitergassensoren die Selektivität oder Nachweisempfindlichkeit einzelner Sensoren steigern und somit die Nachweissicherheit eines Ereignisses erhohen.
Das Heizelement kann zum Beispiel als ein Platin-Heizer oder aus einer Polysiliziumstruktur aufgebaut werden. Ferner kann die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung auch einen Temperatursensor aufweisen. Ein Ausgangssignal des Temperatursensors kann vorteilhaft verwendet werden, um ein weiteres Messsignal für die Detektion einer Gefahrsituation zur Verfu- gung zu haben.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist der durchschnittliche Leistungsverbrauch der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung im Betrieb weniger als 10 mW, bevorzugt weniger als 5 mW und insbesondere weniger als 1 mW.
Um den Anforderungen an die entsprechenden Normen einer Brandmeldeanlage genügen zu können, weist der beschriebene Gefahrmelder bevorzugt einen Leistungsverbrauch im Bereich von lediglich einigen mW auf. Ein besonders geringer Leistungsverbrauch kann mit den genannten Gefahrmeldern erreicht werden, die auf gassensitiven Halbleitersensoreinrichtungen basieren. Um die geringe Leistungsaufnahme insbesondere bei Metalloxidhalbleiter-Gassensoren basierten Gefahrmeldern zu gewahrleisten, können moderne, effektive Temperaturmodulationstechnologien eingesetzt werden. Daraus kann ein sehr geringer Heizleistungsbedarf resultieren. So werden bei- spielsweise bei solchen Metalloxidhalbleiter-Gassensoren nur wenige 10 mW benotigt, um die Metalloxid-Halbleitermaterial- Schicht stabil auf einer Temperatur von 400 °C zu halten. Ferner konnte die gute thermische Isolierung im Zusammenspiel mit einem flachen Aufbau des Metalloxidhalbleiter-Gassensors auf dem Tragerelement zu einer extrem geringen Zeitkonstante für das Aufheizen und das Abkühlen des Tragerelements, der Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht und des Heizelements fuhren .
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die optische Rauchdetektionseinrichtung einen Streulichtdetektor und/oder einen linearer Rauchmelder auf.
Ein Einsatz eines Streulichtdetektors oder eines linearen
Rauchmelders ermöglicht eine zuverlässige Detektion von Rauch und/oder Stauben. Die Streulichtdetektoren und linearen Rauchmelder haben einen geringen Leistungsverbrauch. Somit kann der gesamte Leistungsverbrauch des Gefahrmelders gering halten werden und im Bereich von einigen mW bleiben.
Streulichtdetektoren können nach einem Streulichtverfahren arbeiten, das auf den so genanten Tyndall-Effekt basiert. Dabei wird die Erkenntnis benutzt, dass klare Luft praktisch kein Licht reflektiert beziehungsweise streut. Befinden sich aber Rauch- und/oder Staubpartikel in der Luft und somit auch in einer optischen Kammer des Streulichtdetektors, so wird ein Pruf-Lichtstrahl beispielsweise einer Infrarot- Leuchtdiode (LED) an den Rauch- und/oder Staubpartikeln gestreut. Ein Teil des dabei entstehenden Streulichtes kann dann von einem Lichtempfanger wie beispielsweise einer Photodiode detektiert werden.
Streulichtdetektoren sind gut geeignet zum Beispiel zum frühzeitigen Erkennen von Schwelbranden mit relativ großen und hellen Rauchpartikeln. Somit können Streulichtdetektoren bevorzugt angewendet werden, wenn zum Beispiel bei einem Brandausbruch mit kaltem Rauch zu rechnen ist. Um die Empfindlichkeit des Streulichtdetektors zu erhohen, kann statt einer einfachen LED eine sehr helle Laserdiode benutzt werden .
Ein linearer Rauchmelder reagiert auf eine durch Rauch erzeugte Abschwachung eines - von einer Sendeeinheit ausgestrahlten und von einer Empfangseinheit empfangenen - infraroten Lichtstrahls . Die linearen Rauchmelder können gut geeignet sein zum Beispiel zur Überwachung von großen Flachen .
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erkennen einer Gefahrsituation unter Verwendung des erfindungsgemaßen Gefahrmelders angegeben.
Mit einem derartigen Verfahren, konnten die oben genannten Vorteile des Gefahrmelders optimal ausgenutzt werden. Ein geeignetes Verfahren, das auf vorteilhafte Weise die beiden von dem Gefahrmelder kombinierten sensorischen Prinzipien berücksichtigt, kann ermöglichen, dass ein einziger Gefahrmelder zum Beispiel zu einer effektiven und zuverlässigen Erkennung von Branden, Brandursachen, gefahrlichen Gasen, brandfordernden Stoffen, explosiven Gasgemischen und Stauben eingesetzt werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die Auswertung ein Kombinieren und/oder einen Vergleich des ersten Ausgangssignals und des zweiten Ausgangssignals auf.
Durch das Kombinieren und/oder den Vergleich der beiden Ausgangsignale wird es möglich Informationen bezuglich einer Gefahrsituation, eines Brandes und/oder einer Brandursache zu ermitteln, die über Informationen der einzelnen Ausgangsigna- Ie hinaus gehen. Somit kann zum Beispiel eine weitere Brandursache oder eine zusatzliche latente Brandgefahr erkannt werden . Gemaß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird die Auswertung in Bezug auf einen zeitlichen Verlauf der beiden Ausgangsignale durchgeführt. Dabei kann die Auswerte- einheit die Ausgangssignale des gassensitiven Halbleitersensors und des optischen Rauchmelders vergleichen und/oder superponieren und/oder den zeitlichen Verlauf der Ausgangssignale zueinander in Beziehung setzen, um die Brandursache einschätzen zu können. Eine derartige Auswertung der Aus- gangssignale kann sowohl vor einem Brand auch als wahrend eines Brandes durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird in der Auswerteeinheit ein Auswertevorgang durch das Uber- schreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts eines Ausgangsignal der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115) und/oder der optischen Rauchdetektionseinrichtung (118) ausgelost .
Mit dem Auswertevorgang, der durch das Überschreiten des Schwellenwerts ausgelost wird, kann zum Beispiel erreicht werden, dass der Auswertevorgang nur bei bestimmten Konzentrationen von bestimmten Gasen und/oder nur bei bestimmten Konzentrationen von Rauch- und/oder Staubpartikeln durchge- fuhrt wird. Dabei kann der Auswertevorgang ausgelost werden, wenn zum Beispiel die Konzentration einen bestimmten Wert überschreitet oder innerhalb einer bestimmten Zeit die Konzentration überdurchschnittlich schnell ansteigt. Die geeigneten Schwellenwerte können bezuglich einer bevorzugten Anwendung und/oder Funktionalitat des Gefahrmelders gewählt werden. Zum Beispiel können somit Falschalarme und/oder unnötige Auswertevorgange vermieden werden. Der Auswertevorgang kann somit mittels eines geeigneten Triggers ausgelost werden .
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird ein Heizelement der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung derart zeitlich variabel betrieben, dass wenigstens zeitweise eine Änderung der Temperatur des Gassensorelements auftritt und der zeitliche Verlauf der Änderung der Temperatur als Warme-Messsignal verwendet wird.
Unter einem Warme-Messsignal kann dabei ein Warmetonungssig- nal verstanden werden, das großteils durch einen Energieeintrag von den Gasreaktionen entsteht. Dabei wird durch eine exotherme Oxidation der zu detektierenden Gase an der gassen- sitiven Halbleitersensoreinrichtung der zeitliche Verlauf der Temperaturanderung als Reaktion auf eine Änderung der Beheizung anders ausfallen, als wenn die Gase nicht oder in anderer Konzentration anwesend sind. Die Form dieses zeitlichen Verlaufes kann somit zusatzlich als Große zur Messung dieser Gase verwendet werden.
Alternativ kann das Warme-Messsignal auch ein Warmeleitungs- signal darstellen, das zum überwiegenden Teil durch die Warmeleitung von Gasen erzeugt wird. Dabei beeinflusst eine Gaszusammensetzung um die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung deren Wärmeleitfähigkeit. Wenn die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung warmer ist als das umgebende Gas, wird ihre Abkühlung durch die Warmeleitung des Gases von der Gaszusammensetzung abhangen. Dies lasst sich am Aufheizver- lauf oder am Abkuhlverlauf der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung ablesen.
Der zeitliche Verlauf der Änderung der Temperatur, d.h. das transiente Warme-Messsignal, kann auf verschiedene Arten ausgewertet werden. So kann beispielsweise eine zeitliche Änderung der Temperatur direkt nach einem Ausschalten der Beheizung betrachtet werden, d.h. die Steigung des Temperatur-Zeit-Verhaltens. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Änderung der Temperatur nach Verstreichen einer vorbe- stimmten Zeit zu betrachten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Zeit zu ermitteln, die für eine vorbestimmte Änderung der Temperatur verstreicht. Gemaß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird in ersten Zeitabschnitten die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung derart beheizt, dass sie eine Temperaturschwelle wenigstens erreicht, und in zweiten Zeitabschnitten die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung schwacher als in den ersten Zeitabschnitten beheizt oder unbeheizt betrieben wird. Die Dauer und Abfolge der ersten und zweiten Zeitabschnitte sowie die zweite Temperatur wird so gewählt, dass der durch- schnittliche Leistungsverbrauch, der durch den Betrieb des Heizelements anfallt, kleiner als eine obere Heizleistungsgrenze ist, wobei als obere Heizleistungsgrenze 10 mW, bevorzugt 5 mW und insbesondere 1 mW verwendet wird.
Die ersten und zweiten Abschnitte können sich dabei abwechseln und als Temperaturschwelle kann beispielsweise 150 °C verwendet werden. Es kann wenigstens je ein Ausgangssignal der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung aus den zweiten Zeitabschnitten berücksichtigt werden. Alternativ kann aus den zweiten Zeitabschnitten jeweils ein Verlauf von mehreren Ausgangsignalen der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung berücksichtigt werden.
Es können auch weitere Zeitabschnitte verwendet werden, in denen die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung derart beheizt wird, dass sie nach einer Einpegelung ihrer Temperatur weitere Temperaturen annimmt, wobei auch die weiteren Temperaturen so gewählt werden, dass der durchschnittliche Leistungsverbrauch, der durch den Betrieb des Heizelements anfallt, kleiner als die obere Heizleistungsgrenze ist. Die Lange der ersten Zeitabschnitte kann weniger als 1 s und die Lange der zweiten Zeitabschnitte kann mehr als 10 s sein, wobei die Abfolge und die Dauer der Zeitabschnitte im laufenden Betrieb angepasst werden kann. Dabei kann das Heizelement innerhalb wenigstens eines Teils der Zeitabschnitte mit einer für jeden dieser Zeitabschnitte festgelegten konstanten Heizspannung oder konstanten Heizleistung betrieben werden. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausfuhrungsformen.
Figur 1 zeigt einen Gefahrmelder.
Figur 2 zeigt einen Metalloxidhalbleiter-Gassensor.
Figur 3 zeigt einen gassensitiven Feldeffekttransistor.
Figur 4 zeigt eine Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren .
Figur 5 zeigt eine Auswertung von Ausgangssignalen eines Metalloxidhalbleiter-Gassensors und einer optischen Rauchde- tektionseinrichtung .
Figur 6 zeigt eine Auswertung von Ausgangssignalen einer
Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren und einer optischen Rauchdetektionseinrichtung .
An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in der Zeich- nung die Bezugszeichen von gleichen oder von einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer und/oder durch einen angehängten Buchstaben unterscheiden.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines Gefahrmelders 114. Der Gefahrmelder 114 weist ein Grundelement 117 auf. An dem Grundelement 117 ist ein mikromechanisch hergestellter Metalloxidhalbleiter-Gassensor 115, eine optische Rauchdetektionseinrichtung 118 sowie eine elektronische Schaltung mit einer Auswerteeinheit 119, einem Multiplexer 116 und einer Heizungsversorgungseinheit 120 aufgebaut. Der Multiplexer 116 ist dabei mit dem Metalloxid- halbleiter-Gassensor 115, der optischen Rauchdetektionsein- richtung 118, der Heizungsversorgungseinheit 120 und der Auswerteeinheit 119 sowie mit einem nicht gezeigten Heizelement des Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 verbunden.
Der Multiplexer 116 sorgt dafür, dass die Ausgangsignale des Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 und die Ausgangssignale der optischen Rauchdetektionseinrichtung 118 bei einem Auswertevorgang kombiniert und/oder verglichen werden können. Ferner sorgt der Multiplexer 116 dafür, dass in den ersten Zeitabschnitten die Heizungsversorgungseinheit 120 mit dem Heizelement des mikromechanisch hergestellten Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 verbunden ist und somit der Metalloxidhalbleiter-Gassensor 115 beheizt wird. Weiterhin kann in den zweiten Zeitabschnitten das Heizelement des mikromechanisch hergestellten Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 mit der Auswerteeinheit 119 entweder mittels des Multiplexers 116 oder direkt verbunden werden. Hierdurch entfallt die Beheizung des Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 und eine Messung der Umgebungstemperatur durch die Auswerteeinheit 119 wird ermöglicht. Alternativ kann die Heizungsversorgungseinheit 120 auch direkt sowohl mit dem Heizelement des Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 als auch mit der Auswerteeinheit 119 verbunden werden. Dadurch kann ggf. eine Regelschleife zwischen der Heizungsversorgungseinheit 120, dem Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 und der Auswerteeinheit 119 gebildet werden.
Alternativ oder zusatzlich kann in dem Gefahrmelder 114 auch ein Gassensitiver Feldeffekttransistor (GasFET) , welcher nachfolgend anhand von Figur 3 beschrieben wird, eingesetzt werden. Der GasFET kann auch unbeheizt betrieben werden.
Figur 2 zeigt den Querschnitt eines mikromechanisch herge- stellten Metalloxidhalbleiter-Gassensors 215. Der mikromechanisch hergestellte Metalloxidhalbleiter-Gassensor 215 weist ein Tragerelement 222, beispielsweise aus Siliziumnitrit Si3N4 auf. Das Tragerelement 222 ist üblicherweise quadratisch oder rechteckig und liegt auf einem Rahmen aus Silizium
221, der mittels eines anisotropen Atzprozesses aus einem Siliziumwafer produziert werden kann. Das Tragerelement 222 weist ein Heizelement 224 auf. Dieses ist im gegebenen Beispiel als Maanderwiderstand aus Platin ausgeführt. Der Maan- derwiderstand 224 wird in einem Bereich des Tragerelements
222, der auf dem Rahmen aus Silizium 221 liegt, von außen kontaktiert. Das Heizelement 224 ist bedeckt von einer Iso- lierschicht 223, die beispielsweise Siliziumdioxid (SiC>2) aufweisen kann. Auf der Isolierschicht 223 sitzt schließlich eine gassensitive Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht 225, die beispielsweise mit Palladium dotiertes Zinndioxid aufweisen kann. Die Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht 225 ist üblicherweise über metallische Anschlüsse, die in Figur 2 nicht gezeigt sind, kontaktiert.
Das Tragerelement des gezeigten mikromechanisch hergestellten Metalloxidhalbleiter-Gassensors 215 ist in diesen Beispielen nur etwa 1 μm dick. Dieser extrem dünne Querschnitt für die Festkorperwarmeleitung fuhrt zu einer extrem guten thermischen Isolation von Heizelement 224 und der gassensitiven Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht 225 von den restlichen Teilen des Aufbaus . Hieraus resultiert ein sehr geringer Heizleistungsbedarf, um eine konstante Temperatur zu halten. So werden beispielsweise bei solchen mikromechanisch hergestellten Metalloxidhalbleiter-Gassensoren nur wenige 10 mW benotigt, um die gassensitive Metalloxid-Halbleitermaterial- Schicht 225 stabil auf einer Temperatur von beispielsweise 4000C zu halten.
Weiterhin fuhrt die gute thermische Isolation im Zusammenspiel mit den relativ flachen Aufbauten auf dem Tragerelement 222, die in Figur 2 nicht maßstablich dargestellt sind, zu einer sehr geringen thermischen Masse des zu beheizenden
Aufbaus. Das wiederum fuhrt zu einer extrem geringen Zeitkonstante für das Aufheizen und das Abkühlen von dem Tragerele- ment 222, dem Heizelement 224 und der gassensitiven Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht 225. Der mikromechanisch hergestellte Metalloxidhalbleiter-Gassensor 215 kann somit innerhalb von weniger als 150 ms im beheizten Zustand eine Temperatur von beispielsweise etwa 225°C erreichen. Im unbe- heizten Zustand, also nach einem Abschaltzeitpunkt, kann der mikromechanisch hergestellte Metalloxidhalbleiter-Gassensor 215 sogar noch schneller, nämlich in weniger als 100 ms wieder die Umgebungstemperatur erreichen.
Figur 3 zeigt einen gassensitiven Feldeffekttransistor 315, welcher nachfolgend auch kurz als GasFET bezeichnet wird. Der GasFET 315 basiert auf einem Feldeffektaufbau. Der GasFET 315 weist auf einen Drain-Anschluss 335, einen Source-Anschluss 334 sowie ein katalytisches Gatter mit einer gassensitiven Gatterbeschichtung 336, an die Gasmolekule 339 adsorbieren können. Weiterhin weist der GasFET 315 einen Temperatursensor 333 auf. Die vom Temperatursensor 333 gemessene Temperatur wird bei der Auswertung des Signals des GasFETs 315 beruck- sichtigt, um Einflüsse der Umgebungstemperatur auf das Signal des GasFETs 315 zu kompensieren. Dies kann wichtig sein, wenn der GasFET 315 nicht beheizt wird und somit direkt dem Ein- fluss der Umgebungstemperatur ausgeliefert wird. In einem Gefahrmelder 114 kann nun das Signal des Temperatursensors 333 vorteilhaft verwendet werden, um ein weiteres Messsignal für die Detektion einer Gefahrsituation zur Verfugung zu haben .
Figur 4 zeigt schematisch eine Anordnung mehrerer gassensiti- ver Feldeffekttransistoren 415. Gemäß dem hier beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel werden verschiedene Halbleiter- Materialien wie zum Beispiel mit Bariumtitanat dotiertes Kupferoxid (BaTiO3/CuO) 436A, mit Palladium dotiertes Zinndioxid (Pa/SnO2) 436B, Kupferphthalocyanin (CuPC) 436C und Polyamid (PA) 436D als gassensitive Gatterbeschichtungen benutzt. Somit kann diese Annordung mittels eines CMOS Trans- ducers 437 einen Cθ2-Sensor 415A, einen CO-Sensor 415B, einen Nθ2-Sensor 415C und einen Feuchtigkeitssensor 415D aufweisen. Die Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren kann alternativ den Metalloxidhalbleiter-Gassensor 115 in den Gefahrmelder 114 ersetzen oder zusatzlich zu diesem verwendet werden. Analog kann eine Anordnung mehrerer gassensitiver Metalloxidhalbleiter-Gassensors alternativ den Metalloxidhalbleiter-Gassensor 115 in den Gefahrmelder 114 ersetzen oder zusatzlich zu diesem verwendet werden.
Figur 5 zeigt einen Ablauf einer Auswertung von Ausgangssignalen eines Metalloxidhalbleiter-Gassensors und einer optischen Rauchdetektionseinrichtung . Der gassensitive Metalloxidhalbleiter-Gassensor wird mit einem geeigneten Temperaturpulsverfahren 551 bevorzugt durch Temperaturpulse und unterschiedliche Temperaturrampen betrieben. Dabei wird der gassensitive Metalloxidhalbleiter-Gassensor entsprechend beheizt, wobei zum Beispiel von der in Figur 1 dargestellten Heizungsversorgungseinheit 120 des gassensitiven Metalloxidhalbleiter-Gassensors 115 geeignete Strom- bzw. Spannungspul- se an das in Figur 2 dargestellte Heizungselement 224 angelegt werden. Abhangig von den gewählten Temperaturpulsen und Temperaturrampen werden die Gasreaktionen an der gassensitiven Metalloxid-Halbleitermaterial-Schicht unterschiedlich ablaufen, so dass der Metalloxidhalbleiter-Gassensor ein für die detektierten Gasmolekule charakteristisches Ausgangssignal liefert. Dieses kann mittels eines nachfolgenden Mustererkennungsverfahrens 552A ausgewertet werden.
Über benutzte mathematische Algorithmen werden Signaturen unterschiedlicher Gase erkannt, wie dieses zum Beispiel in der Publikation A. Schütze, A. Gramm, T. Ruhl : Identification of Organic Solvente by a Virtual Multisensor System with Hierarchical Classification, In: IEEE Sensors J, vol. 4, pp . 857-863, December 2004 beschrieben ist.
Unter Signaturen können zum Beispiel gascharakteristische Reaktions-Kurven verstanden werden, die den zeitlichen Ver- lauf zum Beispiel des Widerstandes und/oder der Impedanz des Metalloxidhalbleiter-Gassensors zeigen. Ferner können unter dem Begriff Signaturen die entsprechenden Anstiegskurven des Widerstandes und/oder der Impedanz des Metalloxidhalbleiter- Gassensors verstanden werden. Die gemessenen Signaturen können mit in einer Datenbank gespeicherten Signaturen verglichen werden. Somit kann die Auswertung als Ergebnis zum Beispiel die Information liefern, ob ein brandfordernder Stoff vorhanden ist. Ferner kann als Ergebnis ggf. auch der Typ des vorhandenen brandfordernden Stoffes ermittelt werden. Weiterhin kann als Ergebnis eine Konzentration eines oder mehrerer gefahrlicher Gase wie beispielsweise CO gemeldet werden. Auch kann die Information, ob ein Brandgas vorhanden ist und gegebenenfalls auch dessen Konzentration bereitge- stellt werden. Außerdem kann als Ergebnis die Information über den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals und/oder der Konzentrationen der zu detektierenden Gase gegeben werden.
Parallel wird eine Auswertung von dem Ausgangssignal des Steuerlichtdetektors beziehungsweise des linearen Rauchmelders durchgeführt. Dieses Ausgangssignal kann auch mittels eines Mustererkennungsverfahrens 552B ausgewertet werden. Über benutzte mathematische Algorithmen werden Signaturen von Rauch und Stauben erkannt. Die Signaturen können in dem Fall des Steuerlichtdetektors den zeitlichen Verlauf der Intensität und/oder der Flackerfrequenz und/oder der Signalabnahmebzw. Anstiegsrate des Streulichts aufweisen. In dem Fall des linearen Rauchmelders können die Signaturen den zeitlichen Verlauf der Intensität und/oder der Flackerfrequenz und/oder der Signalabnahme- bzw. Anstiegsrate des von der Empfangseinheit empfangenen Durchlichts aufweisen. Diese Signaturen können mit in einer Datenbank gespeicherten Signaturen verglichen werden. Somit kann die Auswertung als Ergebnis zum Beispiel die Information liefern, ob ein Rauch und/oder Staub vorhanden ist. Ferner kann als Ergebnis die Art und Konzentration der Rauch- und/oder Staubpartikel mitgeteilt werden. Auch kann als Ergebnis die Information über den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals und/oder der Konzentrationen von Rauch- und/oder Staubpartikeln geliefert werden.
Nachfolgend werden die beiden Ausgangssignale des Metalloxid- halbleiter-Gassensors und der optischen Rauchdetektionsein- richtung superponiert und verglichen 553. Auch die Auswertung der Superposition und des Vergleichs kann ahnlich wie schon oben beschrieben mittels eines Mustererkennungsverfahrens durchgeführt werden. Weiterhin kann diese Auswertung eine Analyse des zeitlichen Verlaufs 553 der Ausgangssignale aufweisen. Durch die hier beschriebene kombinierte Auswertung 553 der beiden Ausgangssignale können zusatzliche Aussagen getroffen werden wie zum Beispiel ob es ohne eine Rauchentwicklung brennt, ob ein Brand durch einen brandfordernden Stoff unterstutzt und/oder ausgelost wurde. Gegebenenfalls kann auch eine Identifikation des brennenden Medium vorgenommen werden. Zusatzlich können mit diesen Informationen zu treffende Maßnahmen und/oder Empfehlungen bezuglich der Art eines geeigneten Loschmittels und/oder einer Steuerung ver- schiedener Aktoren wie zum Beispiel der Start einer Uberwa- chungskamera und/oder einer Aktivierung von Notausgangen ausgegeben werden.
Der Auswertevorgang durch die Auswerteeinheit kann zum Bei- spiel durch Überschreiten eines Schwellenwerts der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung und/oder der optischen Rauchdetektionseinrichtung ausgelost werden.
Figur 6 zeigt einen Ablauf einer Auswertung von Ausgangssig- nalen einer Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren und einer optischen Rauchdetektionseinrichtung. Die Auswertung 652A, 652B, 653 erfolgt analog zu der in Bezug auf Figur 5 beschriebenen Auswertung. Hier stehen Ausgangssignale von unterschiedlichen Sensoren 415A, 415B, 415C und 415D der in Figur 4 dargestellten Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren zu Verfugung. Die Auswertung der Ausgangssignale der Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren können auf verschiedene Weisen durchgeführt werden. Ein derzeit als besonders geeignet angesehenes Auswerteverfahren ist beschrieben in der Veröffentlichung von U. Hoefer, A Felske, G. Sulz und K.
Steiner: SnC>2-Multisensorsysteme für die Analyse von Gas- und Geruchsstoffe, Tagungsband GMA-Tagung „Prozessautomation in der Lebensmittelindustrie", 1.-2. Februar 1996.
Bei der Auswertung können statistische Verfahren wie zum
Beispiel Hauptkomponentenanalyse, multivariate Datenanalyse und/oder lineare Diskriminanzanalyse angewandt werden.
Bei den in dieser Anmeldung beschriebenen sensorischen Prin- zipien ist besonders die geringe Leistungsaufnahme, der geringe Preis, die hohe Empfindlichkeit auf unterschiedliche Gase und die Stabilität der benutzten Sensoren hervorzuheben. Die genannten Vorteile stellen eine wichtige Voraussetzung dar, um die in dieser Anmeldung beschriebenen Gefahrmelder zu realisieren und deren Betrieb in elektronischen Netzwerken und Bussystemen zu ermöglichen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausfuhrungsformen lediglich eine beschrankte Auswahl an möglichen Ausfuhrungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausfuhrungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausfuhrungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausfuhrungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.

Claims

Patentanspruche
1. Gefahrmelder (114) mit
• einer gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115), • einer optischen Rauchdetektionseinrichtung (118) und
• einer Auswerteeinheit (119) zur Auswertung
- eines ersten Ausgangssignals der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115) und
- eines zweiten Ausgangssignals der optischen Rauchdetekti- onseinrichtung (118) .
2. Gefahrmelder (114) nach Anspruch 1, wobei die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung (115) einen Metalloxidhalbleiter-Gassensor (215) aufweist.
3. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung eine Anordnung mehrerer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren (215) aufweist.
4. Gefahrmelder (114) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Metalloxidhalbleiter-Gassensor (215) oder die Anordnung mehrerer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren ein Tragerelement (222) mit einer Dicke von weniger als 100 μm, bevorzugt weniger als 50 μm und insbesondere weniger als 1 μm aufweist.
5. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung einen gassensi- tiven Feldeffekttransistor (315) aufweist.
6. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung eine Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren (415) aufweist.
7. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung (115) eingerichtet ist zur Detektion eines Gefahrstoffs.
8. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung (115) ein Heizelement (224 ) aufweist .
9. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der durchschnittliche Leistungsverbrauch der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115) im Betrieb weniger als 10 mW, bevorzugt weniger als 5 mW und insbesondere weniger als 1 mW ist.
10. Gefahrmelder (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei, die optische Rauchdetektionseinrichtung (118) einen Streulichtdetektor und/oder einen linearer Rauchmelder aufweist.
11. Verfahren zum Erkennen einer Gefahrsituation unter Verwendung eines Gefahrmelders (114) nach einem der vorangehen- den Ansprüche.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Auswertung ein Kombinieren und/oder einen Vergleich des ersten Ausgangssignals und des zweiten Ausgangssignals aufweist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Auswertung in Bezug auf einen zeitlichen Verlauf der beiden Ausgangsignale durchgeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei in der Auswerteeinheit (119) ein Auswertevorgang durch das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts eines Ausgangsignal der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115) und/oder der optischen Rauchdetektionseinrichtung (118) ausgelost wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei ein Heizelement (224) der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115) derart zeitlich variabel betrieben wird, dass wenigstens zeitweise eine Änderung der Temperatur der gassensitiven Halbleitersensoreinrichtung (115) auftritt, und der zeitliche Verlauf der Änderung der Temperatur als Warme- Messsignal verwendet wird.
16. Verfahren einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei in ersten Zeitabschnitten die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung (115) derart beheizt wird, dass es eine Temperaturschwelle wenigstens erreicht, und in zweiten Zeitabschnitten die gassensitive Halbleitersensoreinrichtung (115) schwa- eher als in den ersten Zeitabschnitten beheizt oder unbeheizt betrieben wird, wobei die Dauer und Abfolge der ersten und zweiten Zeitabschnitte sowie die zweite Temperatur so gewählt wird, dass der durchschnittliche Leistungsverbrauch, der durch den Betrieb des Heizelements anfallt, kleiner als eine obere Heizleistungsgrenze ist, wobei als obere Heizleistungsgrenze 10 mW, bevorzugt 5 mW und insbesondere 1 mW verwendet wird.
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