УДК 621.3.049.776.41
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК РАННИХ СТАДИЙ ТЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
SEMICONDUCTOR SENSOR FOR DETECTING ERLY STAGE OF SMOLDERING ORGANIC MATERIALS
Самотаев Николай Николаевич
канд. техн. наук, доцент Е-mail: nnsamotaev@mephi.ru
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва
кафедра микро- и наноэлектроники
Аннотация: Показана возможность обнаружения пожаров на ранней стадии путем детектирования газов, образующихся при тлении органических материалов, с помощью металлооксид-ного полупроводникового (на основе диоксида олова) датчика в режиме быстрой температурной модуляции. Приведены результаты экспериментального сравнения селективности и быстродействия стандартного электрохимического датчика, предназначенного для детектирования монооксида углерода, и полупроводникового газового датчика при бездымном тлении различных бытовых органических материалов. Ключевые слова: металлооксидный датчик, термоциклирова-ние, селективность
Samotaev Nikolay. N.
Ph. D. (Technical), Associate Professor Е-mail: nnsamotaev@mephi.ru
National Research Nuclear University "MEPHI", Moscow
Department of micro- and nanoelectronics
Abstract: In this work, we describe approach for the detection of early stage of fire by detection pyrolysis gases produced at smoldering of organic materials. As detector we used a single metal oxide gas sensors based on SnO2 operating in fast temperature scanning mode. The results of experimental comparison of the selectivity of standard electrochemical carbon monoxide gas sensor and of the metal oxide gas sensors based on SnO2 at smokeless pyrolysis of various domestic organic materials are presented.
Keywords: metal oxide gas sensor, thermocycling selectivity gas sensor
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важнейших характеристик газочувствительных датчиков, применяемых при мониторинге качества воздуха в помещениях, в пожарной сигнализации и т. д., является селективность [1]. В пожарных сигнализациях о наличии пожара свидетельствует присутствие в помещении монооксида углерода СО, хотя на различных стадиях пожара в атмосфере могут выделяться также диоксид углерода СО2, оксид азота N0^, метан СН4, водород Н2, аминогруппы (—NH2) и пары воды Н2О [2].
Селективность электрохимических датчиков (ЭХД) к монооксиду углерода выше, чем у металлооксидных датчиков (МОД), работающих при постоянной температуре, однако последние стабильнее. Для повышения селективности МОД применяются различные приемы — например, обработка сигнала с помощью искусственных нейронных сетей или комбинирование различных типов чувствительных материалов на одной подложке [3]. В данной работе выбран способ повышения селективности системы пожарной сигнализации к Н2 и СО путем перевода МОД в режим быстрой температурной модуляции, физические и химические аспекты которого описаны в [4]. Преимуществом предлагаемого подхода являются более высокая стабильность применения
единичного чувствительного элемента в сравнении с мультисенсорной системой, где надежность обратно пропорциональна количеству чувствительных элементов, и снижение энергопотребления.
Типичные кривые отклика МОД на Н2 и СО в воздухе представлены на рис. 1, а именно в сухом, влажном
s
5
я о а С
Нагрев 450 °С
Охлаждение 110 °С
\.4 i i i
2 -7 i i ТТ 1 H2 СО ,
~i-1-
4 6
Время, с
Рис. 1. Отклики газочувствительного слоя МОД:
1 — чистый воздух; 2 — воздух при 98 % влажности; 3 20 ррт СО; 4 — 20 ррт СО + 50 ррт Н2
3
воздухе, и в чистом сухом воздухе, содержащем водород и монооксид углерода. Режим модуляции температуры обозначен над кривыми отклика.
ЭКСПЕРИМЕНТ И РЕЗУЛЬТАТЫ
В экспериментах использовались толстопленочные газовые датчики СГ-2140, изготовленные методом трафаретной печати [5]. Газочувствительный металлоксид-ный слой в датчиках состоял из диоксида олова (SnO2) с удельной поверхностью около 55 м2/г, легированного палладием до 3 % массовой доли. Качественное сравнение быстродействия и чувствительности проводилось с жидкостным ЭХД монооксида углерода "Compact-S" производства компании Monox Ltd. (Великобритания). Дополнительно оба типа датчиков были оснащены угольными фильтрами, понижающими их перекрестную чувствительность к газам группы CxHy и спиртам.
Схема установки, применявшаяся для контролируемого тления различных материалов, представлена на рис. 2. В ходе эксперимента нагреватель, разогретый до 250 °C, вызывает бездымное тление бумаги, сигареты, дерева и поролона. Температура тления материалов в экспериментальной установке контролировалась дистанционно при помощи инфракрасного термометра. В ходе экспериментов материалы не воспламенялись, и тление протекало без визуальных следов дыма.
Результаты проведенных экспериментов по детектированию газов, образующихся при тлении, показанные на рис. 3, подтверждают, что органические материалы при воздействии высоких температур всегда образуют традиционные "пожарные газы" — H2 и CO, причем их концентрации находятся в постоянной пропорции, независимо от типа тлеющего материала.
Сравнение откликов МОД и ЭХД на процесс бездымного тления поролона представлено на рис. 4: в момент пересечения кривой отклика ЭХД и горизонтальной штриховой линии (критический уровень — предельно допустимая концентрация СО для человека — 20 мг/м ) кривая отклика МОД напоминает кривую 4 на рис. 1. Это означает одновременное присутствие Н2 и СО в атмосфере экспериментальной камеры. Экспериментальные данные также свидетельствуют, что скорость откликов обоих датчиков одинакова и определяется, в основном, скоростью процессов газопереноса в камере экспериментальной установки. Следующий эксперимент по детектированию чистого водорода при помощи обоих датчиков продемонстрировал ложное срабатывание ЭХД (рис. 4, б). Сравнение экспериментальных результатов наглядно демонстрирует преимущество МОД с точки зрения селективности к газообразным продуктам тления (Н2 и СО) в сравнении с ЭХД.
Преимущества применения МОД в системах пожарной сигнализации заключаются, во-первых, в возможности использования микронагревателя МОД в качестве датчика температуры окружающей среды. Это
Вытяжная труба с заслонкой и вентилятором
ИК-термометр ^gg^/f
\
ж
¥
ПК
Камера 85 х 48 х 48 см
Нагреватель Полупроводниковый и
электромеханический сенсоры
Рис. 2. Установка для контролируемого тления различных материалов
Рис. 3. Отклик газочувствительного слоя МОД в воздушной атмосфере, содержащей газообразные продукты тления органических материалов:
1 — дерево; 2 — сигарета; 3 — поролон; 4 — бумага
полезно в тех случаях, когда только корпус датчика имеет доступ в контролируемую среду, например, когда датчик устанавливается в вентиляционную шахту, где поток воздуха, содержащего газы, несет в себе также информацию об изменениях температуры окружающей среды. Во-вторых, преимуществом является также возможность одновременного использования системы пожарной сигнализации с подобным датчиком в качестве детектора утечки взрывоопасных газов [4] и устройства мониторинга качества воздуха. Это выполнимо, поскольку МОД, работающий в режиме температурной модуляции, способен измерять низкие концентрации метана на высокотемпературном (450 °С) участке цикла модуляции температуры, а также высокие концентрации горючих газов методом регистрации термокатали-
Датчики и Системы • № 1.2015
43
Рис. 4. Зависимость скорости и формы отклика МОД и ЭХД на тление поролона (а) и на водород (б):
1 — отклик ЭХД; 2 — отклик МОД
тического эффекта или измерения теплопроводности атмосферы [4]. В настоящее время существуют несколько решений на основе МЭМС технологий [6, 7], позволяющих уменьшить энергопотребление металло-оксидных датчиков до среднего значения в 1 мВт за цикл модуляции температуры. Такой уровень мощности позволяет использовать подобные датчики в автономных беспроводных устройствах [8—10].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения экспериментов продемонстрировано, что МОД на основе диоксида олова, функционирующий в режиме периодического термоциклиро-вания, может селективно детектировать газообразные продукты тления широко распространенных в быту органических материалов: древесины, хлопка, бумаги, резины и т. д. Детектирование ранней стадии пожара опирается на тот факт, что при перегреве органических материалов происходит эмиссия H2 и CO, причем возможность одновременного детектирования обоих газов в атмосфере помещения дает преимущество в понижении уровня ложной тревоги пожарной сигнализации с МОД в сравнении со стандартными ЭХД. Также МОД более устойчивы к быстроменяющимся условиям эксплуатации (температура, колебания влажности и т. д.), что делает их удобными для применения в пожарной сигнализации на транспортных средствах (кораблях, самолетах, наземном транспорте).
ЛИТЕРАТУРА
1. Gerhard M., Sebastian B. et al. Novel chemical sensor applications in commercial aircraft // Procedia Engineering. — 2011. — № 25. — Р. 16—22.
2. Nebiker P. W., Pleisch R. E. Photoacoustic gas detection for fire warning // Fire Safety Journal. — 2001. — № 36. — P. 173—180.
3. Knoblauch J, Illyaskutty N. et al. Early Detection of Fires in Electrical Insulators by Thermally Modulated SnO2 / Addi-tive-Multi sensors Arrays, Proc. IMCS-2014, Buenos Aires, Argentina, 17—19 March 2014, MPS-T7-7.
4. Samotaev N. N., Vasiliev A. A. et al. The mechanism of the formation of selective response of semiconductor gas sensor in mixture of CH4/H2/CO with air // Sensors and Actuators B. — 2007. — № 127. — P. 242—247.
5. Kim J. H., Sung J. S. et al. Propane/butane semiconductor gas sensor with low power consumption // Sensors and Actuators B. — 1997. — № 44. — P. 452—457.
6. Vasiliev A., Povelko R. et al. Sensors Based on Technology "Nano-on-Micro" for Wireless Instruments Preveenting Ecological and Industrial Catastrophes, M. I. Baraton (ed.) Sensors for Environment, Health and Security: Advanced Materials and Technologies Book Series: NATO Science for Peace and Security Series C — Environmental Security, Springer, 2009.
7. Samotaev N. N., Vasiliev A. A. et al. Gas sensors based on MEMS structures made of ce
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.