UA155999U - Пилостійкий детектор задимленості на основі плазмон-поляритонного фотодетектора - Google Patents

Abstract

Пилостійкий оптичний детектор задимленості містить лазерний діод, монохроматичне випромінювання якого є р-поляризованим, чутливий елемент з напиленим шаром золота, що межує з середовищем з продуктами горіння, та електронну частину з модулем прийому і обробки інформації. Як чутливий елемент використовують плазмон-поляритонний фотодетектор (ППФД) з золотим чи алюмінієвим покриттям. Крім того, він містить два лазерних діоди з однаковими довжинами хвиль випромінювання та різними кутами падіння променів на поверхню ППФД, які відповідають положенню напівширини максимуму на кутовій залежності фотоструму ППФД, або ж два лазерних діоди з різними довжинами хвиль випромінювання, які відповідають спектральному положенню напівширини максимуму у спектрі фотоструму ППФД. При цьому кути падіння випромінювання обох лазерів на поверхню ППФД однакові.

Description

Запропонована корисна модель належить до приладів реєстрації задимленості для виявлення пожежної загрози і сповіщення про небезпеку загорання.

Найбільш розповсюдженими і важливим серед них є детектори диму двох типів: іонізаційні та оптичні (1). Іонізаційні детектори використовують радіоактивне джерело для іонізації повітря в камері, створюючи канал для протікання електричного струму. Частинки диму перешкоджають іонізації і зменшують струм, викликаючи сигнал тривоги.

Оптичні детектори використовують явище розсіяння і зміни напрямку поширення променя світла на частинках диму, що потрапили у камеру детектора (2, 3). Факт розсіяння або перешкоджання ходу променя реєструється фотодетектором і сприймається як наявність диму.

Безпосередньо дим - це дрібнодисперсний аерозоль з розмірами твердих частинок від 0.1 до 0.001 мкм. В той же час частинки пилу мають розміри, більші ніж 10 мкм. Розділяють наступні типи диму: дим з тліючої стадії пожежі (як правило, він складається з великих частинок горіння - від 0.3 до 10.0 мкм та дим зі стадії пожежі з відкритим горінням (як правило, складається з мікроскопічних частинок горіння - від 0.01 до 0.3 мкм). Іонізаційні детектори найкраще виявляють швидкоплинні пожежі, що продукують дим з частинками 0.01-0.4 мікрона, темного чи чорного кольору (так званий чорний дим), в той час як більш сучасні фотоелектричні детектори ефективніші при виявленні повільно тліючих пожеж, з димом світлого (білого або сірого) кольору (так званий білий дим), з більшими частинками 0.4-10 мкм. Фотоелектричні детектори диму швидше реагують на займання, у його ранній стадії (мається на увазі процес тління, до того, як спалахне полум'я). В той час як іонізаційні детектори диму реагують швидше у стадії пожежі з вогнем (як правило 30-60 секунд). Крім того іонізаційні детектори мають знижену чутливість у середовищах з інтенсивним потоком повітря, і через це фотоелектричний детектор диму є надійнішим для виявлення диму як для фази пожежі з тлінням, так і з відкритим вогнем, оскільки потоки повітря не впливають на його функціональність.

Незважаючи на те, що такі датчики диму є дуже розповсюдженими (особливо оптичні датчики), у них є суттєвий недолік, який пов'язаний з хибним спрацюванням на аерозольні або пилові частинки, що може бути пов'язане, наприклад, з життєдіяльністю людини у побуті, а не з виникненням пожежі. Це призводить до значних і невиправданих матеріальних втрат, пов'язаних з реакцією на хибний пожежний виклик. Наприклад, з позаштатною посадкою літаків

Зо чи спрацювання системи пожежогасіння, внаслідок хибної тривоги.

Так, оптичні датчики диму І4-6Ї страждають від хибних спрацювань, пов'язаних з наявністю пилу, а не диму, оскільки чутливий елемент не розрізняє задимленість і запиленість приміщення. Тому актуальним є завдання створити оптичний пилостійкий сенсор диму з пониженою імовірністю хибного спрацювання від частинок звичайного пилу, що буде призводити до суттєво меншої імовірності виникнення хибної тривоги у запилених приміщеннях.

За близький аналог вибрано триканальний детектор задимленості І/Ї, принцип роботи чутливого елемента одного з каналів якого полягає у збудженні поверхневого плазмон- поляритонного резонансу (ПППР) в золотій плівці, що межує з навколишнім середовищем.

Чутливим елементом цього каналу є скляна пластина з напиленою тонкою плівкою золота.

Збудження ПІППР відбувається за допомогою лазерного джерела р-поляризованого випромінювання в геометрії Кречмана з використанням скляної призми зв'язку. Кут між падаючим та відбитим оптичним випромінюванням в такому сенсорі відповідає куту плазмонного резонансу при наявності на чутливому елементі молекул оксиду вуглецю.

Наявність диму призводить до збільшення концентрації оксиду вуглецю в повітрі та змінює оптичні параметри середовища і призводить до кутового зсуву ПППР, що реєструється за зміною інтенсивності променя світла додатковим фотодетектором. Детектор містить ще два канали реєстрації диму за допомогою вимірювання розсіювання світла від двох світлодіодів, а також напівпровідникові сенсори температури. Такий багатоканальний детектор є достатньо чутливим до диму і нечутливий до пилу за рахунок використання додаткових датчиків температури та додаткових оптичних сенсорів. Недоліком такого технологічного рішення є його великі габарити, конструкційна складність, затруднена мініатюризація та підвищена вартість.

Таким чином, задачею даної корисної моделі є створення оптичного одноканального датчика диму зі збереженням чутливості сенсора до диму, та нечутливості до частинок пилу, спрощеної конструкції, з можливістю мініатюризації та зменшених матеріальних затратах на виготовлення.

Поставлена задача вирішується тим, що пилостійкий оптичний детектор задимленості, що містить лазерний діод, монохроматичне випромінювання якого є р-поляризованим, чутливий елемент з напиленим шаром золота, що межує з середовищем з продуктами горіння, та електронну частину з модулем прийому і обробки інформації, згідно з корисною моделлю, як бо чутливий елемент використовують плазмон-поляритонний фотодетектор (ППФД) з золотим чи алюмінієвим покриттям, крім того, він містить два лазерних діоди з однаковими довжинами хвиль випромінювання та різними кутами падіння променів на поверхню ППФД, які відповідають положенню напівширини максимуму на кутовій залежності фотоструму ППФД, або ж два лазерних діоди з різними довжинами хвиль випромінювання, які відповідають спектральному положенню напівширини максимуму у спектрі фотоструму ППФД, при цьому кути падіння випромінювання обох лазерів на поверхню ППФД однакові.

Запропонований датчик диму може базуватися на ППФД на основі р-п-переходу в кремнії або ж бар'єру Шотткі. Зокрема, фотодетектор першого типу являє собою фоточутливу кремнієву структуру з глибиною залягання р-п переходу 100-150 нм та сформованими омічними тильними контактами з АЇ. Глибина залягання р-п-переходу вибрана таким чином, щоб його досягало поле

ПППР, яке експоненційно спадає вглиб напівпровідника. При цьому воно буде генерувати фотоносії, які ефективно розділяються в вбудованому електричному полі цього переходу. На поверхню кремнієвої пластини нанесена металева (Ай, АЇ) гратка, виготовлена за технологією інтерференційної фотолітографії з використанням халькогенідного фоторезисту. Параметри дифракційної гратки (період, глибина рельєфу, товщина металевої плівки у мінімумах рельєфу) вибираються таким чином, щоб забезпечити ефективне збудження ПППР та максимальну величину резонансного значення фотоструму.

Робота ПІПФД як сенсора диму випробувана на спеціально виготовленому стенді, з конструкцією, що грунтується на вимогах ШІ 217 І|8). Згідно з стандартом Ш/217 спрацювання датчика диму має відбутись протягом 2 хвилин при перевищенні оптичної густини диму

О-1.6 у9б/м. Для нашого випадку при умові, що дим від тканини є сірий, це відповідає зменшенню пропускання Т зі 10095 до величини меншої Ти-94 95. На стенді генерувався дим від тліючої тканини і після досягнення коефіцієнта пропускання світла в камері 94 95, сенсори витримувались протягом 2 хвилин. Кутові (на довжині хвилі 650 нм, р-поляризація) та спектральні (при куті падіння світла 6 кутових градусів) залежності фотоструму ППФД на основі золотої дифракційної гратки з періодом 800 нм представлені на Фіг. 1 та 2, відповідно. Криві 1, З відповідають характеристикам фотоструму ППФД до впливу диму, а криві 2,4 - характеристики

ППФД після перебування в камері з димом від тканини.

На цих кресленнях видно зміщення спектрально-кутового положення резонансу фотоструму внаслідок осідання частинок диму на поверхню ППФД. Дим від тканини призводить до суттєвого зсуву кутового (на 5 градусів) та спектрального (на 27 нм) положення плазмон-поляритонного резонансу і пов'язаного з ним фотоструму в сторону більших довжин хвиль і більших кутів. Такі спектральні, а також кутові зміни свідчать про належну чутливість сенсора до диму.

Для оцінки впливу пилу на сенсори диму на основі ППФД, той же зразок був розміщений в закритій герметичній камері об'ємом 0.1 м, де згідно з рекомендаціями |8), було розпилено 60 г цементної суміші, що підтримувалась у розпиленому стані упродовж 15 і 30 хвилин за допомогою вентиляторів. На Фіг. З представлені кутові (на довжині хвилі 650 нм, р-поляризація), а на Фіг. 4 спектральні (при куті падіння світла б кутових градусів) залежності фотоструму досліджуваного ППФД до (криві 5, 8) та після 15 (6, 9) та 30 (7, 10) хвилин перебування в камері з пилом. Видно що ні спектральне, ні кутове положення резонансу фотоструму не змінилось.

Змінилась тільки амплітуда, що є наслідком затінення частини зразка пилом. З цього можна зробити висновок, що частинки пилу занадто великі, щоб наблизитись до поверхні зразка (до того ж, рельєфного) на відстань порядку довжини хвилі і суттєво впливати на збудження і поширення ПППР, тому запропонований сенсор диму не чутливий до пилу.

Приклади конкретного виконання:

Приклад 1.

На Фіг. 5 зображена схема детектора задимленості на основі ППФД, який містить два лазерних діоди (11, 12) з однаковими довжинами хвиль випромінювання (в даному випадку

Хл-Л2-650 нм), які почергово освітлюють ПІПФД. Чутливий елемент ППФД - це кремнієва пластина (14) в приповерхневому шарі якої сформовано р-п-перехід, на поверхню пластини нанесено золоту гратку (13), а на тильну поверхню - омічний алюмінієвий контакт (15). Кути падіння випромінювання цих лазерів різні і вони відповідають положенню напівширини максимуму на кутовій залежності фотоструму ППФД в повітрі, тобто 0: та б» на Фіг. 1. Детектор також включає електронну частину (16), яка містить модуль прийому і обробки інформації

АКОРИШІМО. Модуль керує роботою лазерних діодів і визначає відношення значень фотоструму, збуджуваних лазерами. При відсутності диму, як видно з Фіг. 1, ці значення фотоструму (І: та Іг) рівні між собою і їх відношення дорівнює одиниці. Коли ж на поверхню ППФД потрапляють частинки диму, кутове положення поверхневого плазмон-поляритонного резонансу зміщується.

При цьому значення фотоструму, збуджуваного лазерним діодом з меншим кутом падіння 60 випромінювання на ППФД (б: на Фіг. 1) зменшується, тобто ії прямує до І. В той же час фотострум, який збуджується другим лазерним діодом з більшим кутом падіння випромінювання (62 на Фіг. 1) зростає, Іо прямує до г. Суттєво зростає і відношення значень фотоструму (2/1), і при досягненні критичної величини модуль обробки інформації включає сигнал сповіщення, чи систему пожежогасіння.

Приклад 2.

На Фіг. 6 зображена схема детектора задимленості на основі ППФД, який містить два лазерних діоди (17, 18) з різними довжинами хвиль випромінювання (71 та 72), які почергово освітлюють ППФД. Кути падіння випромінювання від обох лазерів однакові і в даному випадку 801-02-67. Чутливий елемент ППФД той же самий, як і в прикладі 1 - це кремнієва пластина (14) в приповерхневому шарі якої сформовано р-п-перехід, на поверхню пластини нанесено золоту гратку (13), а на тильну поверхню - омічний алюмінієвий контакт (15). Довжини хвиль цих лазерів вибрано таким чином, що вони відповідають спектральному положенню напівширини максимума фотоструму ППФД в повітрі, тобто /1 та л2 на Фіг. 2. Цей детектор теж має електронну частину (16) з модулем прийому і обробки інформації АКОШІМО, який керує роботою лазерних діодів і визначає відношення значень фотоструму, збуджуваних лазерами.

Принцип роботи цього варіанту детектора задимленості аналогічний прикладу 1. При відсутності задимлення значення фотоструму ППФД від двох лазерів (І: та Іг) рівні між собою і їх відношення дорівнює одиниці. При осадженні на ППФД субмікронних часточок диму це відношення значень фотоструму (2/1) суттєво зростає, і при досягненні критичної величини модуль обробки інформації включає сигнал сповіщення, чи систему пожежогасіння.

Таким чином, одноканальний детектор задимленості, що заявляється, є достатньо чутливим до диму та нечутливим до пилу; має малі габаритні розміри за рахунок використання ППФД, що дає можливість об'єднання в одному елементі збудження ПППР і його реєстрацію у вигляді фотоструму та дозволяє здійснити його мініатюризацію; має нижчу собівартість, ніж близький аналог, оскільки використовує кремнійсумісні технології та меншу кількість компонент ніж прототип; нечутливість до пилу досягається за рахунок способу отримання сигналу поверхневого плазмон-поляритонного резонансу і пов'язаного з ним резонансу фотоструму; наявність пилу навіть на поверхні сенсора, що заявляється, призводить тільки до зменшення величини фотоструму внаслідок затінення частини поверхні ППФД, а тому не буде

Зо реєструватись детектором.

Джерела інформації: 1. Нетіпу 9У.М. Рпоюеї!|есійс апа Іопігайоп Оеїесіюг5 - А Немівем/ ої ТНе І йегайиге Не-Ммізіеа //

Веїпйєемей Ресетрег. - 2004. - Т. 31. - б. 2010. 2. Войтович, И., В. Корсунский, Сенсорьї на основе плазмонного резонанса: принципьі, технологии, применения. К.: Сталь, 2011.

З. Нотоїа, уУ., Зипасе ріавтоп гезопапсе 5епвог5 ог аєїесіюп ої спетіса! апа бБіоіодіса! зресієз. Спетісаї геміемув, 2008. 108(2): р. 462-493. 4. Пат. ЮА 76633. Оптичний датчик диму / Кравченко Ю.С., Косаковський ГА. Мо и201207770; заявка. 25.06.2012, опубл. 10.01.13, Бюл. Мо 1. 5. Пат. ОА 37266. Датчик диму / Пойманов О.С. Мо 5201702441; заявка. 28.12.2017, опубл. 25.07.18, Бюл. Мо 14. 6. Пат. ОА 42892. Датчик диму радіоканальний / Федоренко С.В. Мо 5202001521; заявка. 06.10.2020, опубл. 10.12.20, Бюл. Мо 23. 7. Дорожинський Г.В., Маслов В.П., Качур Н.В., Філончук Р.Л., Багатоканальний детектор задимленості. Патент 91922 Україна, МПК (2006.01) 5088 17/10. Заявл. 13.01.2014; Опубл. 25.07.2014, Бюл. Мо 14. 8. 01217. - бБіпдіє апіа Мийіріє еіайоп ЗтоКе АїЇаптв5. // Опадепмгйег5 Іарогаюгіев. Іпс.,

МоппргооК, ІС, 60062.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пилостійкий оптичний детектор задимленості, що містить лазерний діод, монохроматичне випромінювання якого є р-поляризованим, чутливий елемент з напиленим шаром золота, що межує з середовищем з продуктами горіння, та електронну частину з модулем прийому і обробки інформації, який відрізняється тим, що як чутливий елемент використовують плазмон- поляритонний фотодетектор (ППФД) з золотим чи алюмінієвим покриттям, крім того, він містить два лазерних діоди з однаковими довжинами хвиль випромінювання та різними кутами падіння променів на поверхню ППФД, які відповідають положенню півширини максимуму на кутовій залежності фотоструму ПІПФД, або ж два лазерних діоди з різними довжинами хвиль бо випромінювання, які відповідають спектральному положенню півширини максимуму у спектрі