….Главная страница …Проекты… Тепловизионная диагностика… Технологии

Назад к газовым пожарным извещателям

…Применение полупроводниковых газовых сенсоров в системах противопожарного контроля.

Статья "Раннее обнаружение пожара - полупроводниковые газовые сенсоры" в журнале ЭЛЕКТРОНИКА 4.2001г. 

…Существующий в настоящее время парк пожарных извещателей (дымовые, световые, тепловые) сообщают: "Горим! Пора тушить очаг возгорания!"

…Физические принципы, положенные в основу работы используемых в противопожарных системах датчиков (детектирование света, тепловыделения или степени задымлённости), не позволяют им работать по другому. Для получения сообщения: "Внимание! Здесь возможно возгорание!" единственным средством может служить контроль над газодинамическим составом воздушной среды помещений, резко изменяющимся при тлении и пожароопасном повышении температуры материалов.

…Именно на этой стадии развития пожара можно принять наиболее адекватные меры его предупреждения, ликвидировав тем самым развивающуюся пожарную опасность в зачатии. Конечно, ряд газов, выделяющихся на начальной стадии горения (тления), определяется составом материалов, включенных в этот процесс, однако, в подавляющем большинстве случаев можно уверенно выделить основные характерные газовые компоненты. Такого рода исследования проводились совместно с Институтом пожарной безопасности (г. Балашиха, Московской обл.) в стандартной камере, используемой для имитации пожара объемом 60 м³. Состав выделяющихся при горении газов определялся при помощи хроматографии.

…Результаты экспериментов показали, что основным компонентом выделяемых газов на стадии тления в результате пиролиза материалов, используемых в строительстве, таких как древесина, текстиль, синтетические материалы, является водород.

…На начальной стадии пожара, в процессе тления концентрация водорода составляет 10 -20 ррм. В дальнейшем происходит нарастание содержания ароматических углеводородов на фоне присутствия недоокисленного углерода - моно оксида углерода СО, 20 – 80 ррм. При появлении пламени растет концентрация двуокиси углерода СО₂ до уровня 1000 ррм, что соответствует сгоранию 40 – 50 граммов древесины или бумаги в закрытом помещении объемом 60 м³ или эквивалентно 10 выкуренным сигаретам. С другой стороны, такой уровень СО₂ достигается в результате присутствия в помещении двух человек в течение 1 часа.

…Эти эксперименты показали, что порог обнаружения системы раннего предупреждения пожара для основных компонентов газа, водорода – Н₂ и моно оксида углерода – СО, должен находится на уровне 20 ррм в атмосферном воздухе при нормальных условиях, а быстродействие системы желательно иметь не хуже, чем 10 секунд. Этот вывод можно рассматривать как основополагающий и достаточный для разработок целого ряда предупреждающих пожарных газовых сигнализаторов.

…Существующие средства газоанализа экологической направленности (в том числе на электрохимических, термокаталитических и других сенсорах) слишком дороги для такого использования. Внедрение в производство пожарных извещателей на основе полупроводниковых химических сенсорах, изготавливаемых по групповой технологии микроэлектроники, позволит резко снизить стоимость.

…В настоящее время полупроводниковые газовые сенсоры широко используются для анализа газов. Об этом свидетельствуют обширные материалы международных конференций - EUROSENSORS, TRANSDUCERS, CHEMICAL SENSORS, а также EAST ASIAN CONFERENCE ONCHEMICAL SENSORS и множество других региональных конференций.

…В промышленном производстве полупроводниковых сенсоров основную долю мирового рынка занимают японские компании. Признанным лидером и законодателем моды в этой области является Figaro Inc. с годовым объемом производства сенсоров около 5 млн. штук, а также масштабным производством приборов на их основе, включая современную элементную базу и схемотехнику на основе программируемых специализированных устройств.

…Однако производство полупроводниковых сенсоров имеет ряд специфических особенностей, которые делают его трудно совместимым в рамках замкнутого производства с традиционной кремниевой микроэлектронной технологией. Это связано с тем, что сенсоры – не столь массовое изделие, как микросхемы, они имеют больший разброс параметров из-за специфики условий работы ( это не вакуум, а часто агрессивная среда), их производство требует очень специфичного know how в области физической химии, полупроводникового материаловедения и т. д. Поэтому успех здесь сопутствует специализированным компаниям крупных фирм (например, Microchemical Instrument, европейский филиал Motorola), которые не спешат делиться своими разработками в области высоких технологий. К сожалению в России и СНГ эта область деятельности никогда не была достаточно развита, хотя исследовательских групп достаточно много (РНЦ Курчатовский Институт, МГУ, ЛГУ, Воронежский Государственный Университет, ИОНХ РАН, НИФХИ им. Карпова, Саратовский Университет, Новгородский Университет и т. д.)

…Наиболее развитая технология производства толстопленочных полупроводниковых сенсоров предложена в РНЦ Курчатовский Институт. В настоящее время здесь разработаны малогабаритные полупроводниковые приборы, - химические сенсоры, - предназначенные для анализа химического состава газов и жидкостей. Химические сенсоры, изготавливаемые по микроэлектронной технологии, сочетают в себе достоинства микроэлектронных устройств: низкую стоимость при массовом производстве, миниатюрность, низкую электрическую мощность, - с возможностью измерения концентрации газов и жидкостей в широких пределах и с достаточно высокой точностью.

…Разработанные сенсоры делятся на две группы: металлооксидные сенсоры и структурные полупроводниковые сенсоры.

…Металлооксидные сенсоры.

…Сенсоры изготавливаются по толстопленочной микроэлектронной технологии. В качестве подложки используется поликристаллическая окись алюминия, на нее с двух сторон наносятся нагреватель и металлооксидный газочувствительный слой (рис.1). Чувствительный элемент помещен корпус защищенный проницаемой для газа оболочкой, удовлетворяющей требованиям взрывопожаробезопасности.

…Принцип действия полупроводниковых газовых сенсоров основан на изменении электропроводности полупроводникового газочувствительного слоя при химической адсорбции на его поверхности газов. Для того, чтобы физико-химические процессы протекали на поверхности чувствительного слоя достаточно быстро, обеспечивая тем самым требуемое быстродействие на уровне нескольких секунд, сенсор периодически разогревают до температуры 450 – 500 ⁰С, активизируя тем самым его поверхность. В качестве чувствительных полупроводниковых слоев обычно используют мелкодисперсионные оксиды металлов ( SnO₂, ZnO. In₂O₃ и др. с легирующими добавками Pl, Pd и др.) с развитой удельной поверхностью около 30 м²/г из-за структурной пористости формируемых материалов, достигаемой благодаря некоторым технологическим приемам. Нагревателем является резистивный слой, выполненный из инертных материалов ( Pl, RuO₂, Au и др.), электрически изолированный от полупроводникового слоя.

…При кажущейся простоте их технология формирования сконцентрировала в себе все последние достижения материаловедения и микроэлектронной технологии. Это связано с тем, что для обеспечения конкурентоспособности сенсор должен работать несколько лет, находясь периодически в “стрессовом“ состоянии при разогреве до температуры 500 ⁰С, сохраняя при этом высокие эксплутационные характеристики, чувствительность, стабильность и селективность, потребляя при этом возможно более низкую мощность (в среднем несколько десятков милливатт).

…Разработаны сенсоры предназначенные для определения концентраций горючих газов (метан, пропан, бутан, водород и т.д.) в воздухе в интервале концентраций от 0,001% до единиц процентов, а также токсичных газов (СО, арсин, фосфин, сероводород и т.д.) при концентрациях на уровне ПДК.

…Сенсоры имеют рекордно низкую для своего класса электрическую мощность, необходимую для нагрева (менее 150 мВт).

…Сенсоры могут применяться в сигнализаторах утечки газов и системах противопожарной сигнализации (как стационарных, так и карманных).

…К ним относятся сенсоры на основе кремниевых структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), металл-твердый электролит-полупроводник и диоды Шоттки.

…МДП структуры с затвором, выполненным из палладия или платины используются для определения концентрации водорода в воздухе или инертных газах. Порог обнаружения водорода составляет величину порядка 0,1 ррм (0,00001%). Эти сенсоры были успешно применены для определения концентрации водорода в теплоносителе ядерных реакторов, что необходимо для поддержания их безопасности.

…Структуры с твердым электролитом (использовался твердый электролит трифторид лантана, проводящий по ионам фтора) были использованы для определения концентраций фтора фторидов (прежде всего, фтористого водорода) в воздухе. Сенсоры работают при комнатной температуре. Они позволяют определять концентрацию фтора и фтористого водорода на уровне 0,03 ppm, что составляет примерно 0,1 ПДК. Определение утечек фтористого водорода особенно важно для экологии областей с крупным производством алюминия, полимеров, ядерного топлива.

…Подобные структуры, выполненные на основе карбида кремния и работающие при температуре около 500 ⁰С, могут использоваться для измерения концентраций фреонов.

…Способ раннего обнаружения пожара с использованием полупроводниковых химических сенсоров по заявке на изобретение РФ №99115047 с приоритетом от 14.07.99, был отмечен дипломами и золотыми медалями на выставках: Брюссель-Эврика 2000 и Женева 2001.

…На рисунке 2 показан внешний вид индикатора для обнаружения водорода (Н₂) и окиси углерода (СО) в диапазоне концентраций 10 - 100 ppm.

…Индикатор имеет 9-ти уровневый пропорциональный индикатор в виде линейки светодиодов трех цветов: зеленого (диапазон малых концентраций), желтого (средний уровень ) и красного (высокий уровень) концентрации СО (Н₂). Каждый поддиапазон: зеленый, желтый и красный, составлен тремя светодиодами соответствующих цветов, а при загорании красного светодиода включается звуковой сигнал, предостерегающий людей об опасности.

Рис. 3. Цикл изменения сопротивления газочувствительного полупроводникового слоя (R) во времени при наличии примеси угарного газа (порядка 0,001%). Наличие примеси угарного газа (СО ~10 ррм ) за период цикла: отжиг (от 120 ⁰С до 450 ⁰С): O-A, релаксация температуры ( от 450 ⁰С до 120 ⁰С): А-B, изотермический участок (120 ⁰С): В-C, измерение концентрации в точке С.

…Принцип работы индикатора основан на регистрации изменения сопротивления полупроводникового газочувствительного сенсора R, температура которого стабилизируется на уровне 120 ⁰С в процессе измерений (рис 3, участок В-С). При этом нагревательный элемент включен в обратную связь операционного усилителя – терморегулятора и периодически, каждые 6 с , отжигается 0.5 с при температуре 450 ⁰С (рис. 3, участок О-А), далее следует изотермическая релаксация сопротивления R при взаимодействии с угарным газом. Измерение R осуществляется перед следующим отжигом ( рис.3, точка C, далее следует отжиг - О). Управление процессом измерения и выводом на индикатор выполняет программируемое устройство.

Рис. 4. Полная зависимость изменения сопротивления газочувствительного полупроводникового слоя R во времени при кратковременном контакте длительностью 5 секунд с угарным газом, стрелки А и В соответствуют положениям на рис.3 в соответствующем цикле нагрева до (А) 450 ⁰С и охлаждения до (В) 120 ⁰С.

…На рис. 4 представлена полная картина зависимости сопротивления полупроводникового слоя в сенсоре на основе SnO₂ во времени, при кратковременном взаимодействии ( 5 с) дымом тлеющей древесины.

…Диапазон сигнализируемых концентраций Со и Н₂: 10-100 ppm.

…Периодичность измерений: 6 секунд.

…Время установления показаний: не более 1 минуты.

…Внешние условия температура от 0 до +50 ⁰С,

…Потребляемая мощность: не более 2,5 Вт.

…Габариты: 140 x 70 x 25 мм.

…Индикатор может быть эффективно использован в качестве противопожарного сигнального устройства как в жилых помещениях, так и на промышленных объектах. Дачные домики, коттеджи, бани, сауны, гаражи и котельные, технологические производства, основанные на использовании открытого огня и термообработки, предприятия горнодобывающей, металлургической и нефтегазоперерабатывающей промышленности, и, наконец, автомобильный транспорт – вот далеко не полный список объектов, где может быть использован индикатор СО -12.

…Подобного рода пожарные извещатели раннего предупреждения, объединенные в единую сеть и контролирующие газовыделения при тлении материалов перед их возгоранием, размещенные на промышленных объектах, позволяют предупредить аварийные ситуации не только на наземных объектах пожарной охраны, но и в подземных сооружениях, угольных разрезах, где возгорание угольной пыли может произойти в результате перегрева оборудования транспортирующего уголь. Каждый датчик, имеющий световой и звуковой сигнал оповещения, способен не только информировать о степени неблагополучия загазованной территории, но и предупредить персонал, находящийся в непосредственной близости к экстремальному месту. Стационарные пожарные датчики, установленные в жилых помещениях способны снизить вероятность взрыва бытового газа, избежать отравлений угарным газом и предотвратить пожары из-за неисправности бытовой техники или грубого нарушения ее условий эксплуатации, путем автоматического отключения из сети.

Рис.3. наличии примеси угарного газа (СО ~10 ррм ) за период цикла: отжиг (от 120 ⁰С до 450 ⁰С): O-A, релаксация температуры ( от 450 ⁰С до 120 ⁰С): А-B, изотермический участок (120 ⁰С): В-C, измерение концентрации в точке С.

Рис.4. Полная зависимость изменения сопротивления газочувствительного полупроводникового слоя R во времени при кратковременном контакте длительностью 5 секунд с угарным газом, стрелки А и В соответствуют положениям на рис.3 в соответствующем цикле нагрева до (А) 450 ⁰С и охлаждения до (В) 120 ⁰С.

Рис.5. Электрическая схема индикатора загазованности и пожароопасности.

…Литература: