AT516195A1 - Passiver drahtloser RFID Temperatur Indikator - Google Patents

Abstract

Die Messung von Temperaturen insbesondere die Detektion der Überschreitung beziehungsweise Unterschreitung einer kritischen Temperatur ist für viele Bereiche von großer Bedeutung. Die Erfindung löst das Problem der Identifikation und der Detektion einer kritischen Temperatur dadurch, dass bei Überschreitung bzw. Unterschreitung einer Temperatur ein Magnetfeld irreversibel geändert wird. Dieses Magnetfeld wird durch einen Magnetfeldsensor (1) detektiert, der mit einem Mikrochip (3) ausgelesen wird. Die Energie für diesen Prozess wird durch das Anregefeld bezogen. Somit wird ein RFID Signal übermittelt, welches die Über/Unterschreitung einer Temperatur enthält und weiters eine eindeutige Identifikation des Sensors liefert. Der Sensor kommt ohne Energieversorgung aus und kann mittels Standardauslesegeräte, wie Beispielsweise eines NFC fähiges Mobiltelefon ausgelesen werden.

Description

Passiver drahtloser RFID Temperatur Indikator

Die Erfindung betrifft die Überwachung von Temperaturen und insbesondere einedafür geeignete Vorrichtung entsprechend dem einleitenden Teil des Anspruches 1.

Die Messung von Temperaturen insbesondere die Detektion der Überschreitungbeziehungsweise Unterschreitung einer kritischen Temperatur ist für viele Bereichevon großer Bedeutung. Für Produkthaftungsfragen sowie Prozessüberwachung kannbei Wissen über kritische Temperaturen die überschritten bzw. unterschrittenwurden, Aussagen getroffen werden ob Grenzwerte eingehalten wurden.

So ist beispielsweise die Temperaturmessung bei Lebensmitteltransporten undMedikamentetransporten essentiell, wo die Einhaltung der vorgeschriebenenToleranzen der Temperatur protokolliert werden muss. Bei der Überwachung vonKühlketten ist meist nicht die aktuelle Temperatur von Interesse, sondern die Frage,ob die Temperatur des Produkts während des gesamten Logistikprozesses einenzulässigen Maximalwert bzw. Minimalwert überschritten hat. Hierzu werden Indikator-Etiketten am Produkt angebracht. Diese Indikatoren verändern dauerhaft ihre Farbe,falls die zulässige Maximaltemperatur überschritten wurde.

In (Veitch 1996) ist eine Vorrichtung zur irreversiblen Anzeige zeitweiligerÜberschreitung der zulässigen Temperatur beschrieben. Dieser Sensor beinhaltet einMedium mit einem Schmelzpunkt, das gerade oberhalb der zulässigenLagertemperatur liegt. In diesem Medium sind magnetisierbare Partikel suspendiert.Des Weiteren befinden sich in dem Behälter an einzelenen Stellen magnetisierbareKörper, welche sowohl oberhalb wie unterhalb der kritischen Lagertemperatur imfesten Zustand vorliegen. Wird die kritische Lagertemperatur unzuässigerweiselänger als erlaubt überschritten, so verflüssigt sich die Suspension und die in ihrenthaltenen magnetisierbaren oder magnetischen Partikel wandern zu den festenmagnetisierbaren Körper und werden dort festgehalten.

In (Veitch 1992) wird ein flacher Kunststoffbeutel beschrieben indem ein Eutektikumzusammen mit einer magnetischen Dispersion eingebracht ist. Auf den Beutel wirdein Magnetstreifen aufgeklebt, der ein magnetisch aufgezeichnetes Muster enthält.Bei Aktivierung wird der Streifen abgezogen und im Falle des Auftauens ändert sichdas Muster in der Dispersion.

Diese Indikatoren haben den Nachteil, dass sie schlecht automatisierbar auslesbarsind beziehungsweise ein relative lange Zeit benötigen bis die Flüssigkeit vollständigaufgetaut ist, sodass die magnetischen Partikeln in dem Sensor frei wandern können.

Ein zusätzliches Problem dieser Systeme ist die aufwändige Logistik, sodass diemeisten Indikatoren schon im gekühlten Zustand an den Lebensmittelverpackergeliefert werden müssen. Eine Ausnahme bilden Farbindikatoren, die mit UV-Lichterst nach dem Abpacken der Lebensmittel aktiviert werden können. Es muss aberdann im Anschluss noch ein UV-Filter am Indikator angebracht werden, um eineReaktivierung durch das Tageslicht zu verhindern.

In (Bergmair 2012) wird in System beschrieben bei dem die Resonanzfrequenz einesmagneto-akustischen Plättchens durch die Veränderung der Eigenschaft von„Shape-Memory“ Alloys verändert wird. Dieser Sensor kann nur mittels einesspeziellen Lesegeräts ausgelesen werden. Im speziellen wird ein Signal mit derFrequenz von ca. 58 kHz ausgesandt. Die Lese/Sendeeinheit benötigt auf Grund dergeringen Frequenz relative große laterale Abmessungen. Weiters besteht in diesemSystem nicht die Möglichkeit mit dem Sensorsignal eine ID mitzuschicken, welchesfür viele Anwendungen von Notwendigkeit ist.

Die Erfindung hat die Aufgabe, dieses Problem zu lösen und schlägt dazu vor, mittelsRFID System passiv die Über/Unterschreitung einer Temperatur zur detektieren.Dieses System hat den Vorteil mit handelsüblichen Lesegeräten ausgelesen werdenzu können, wie beispielsweise ein kommerzielles Handy mit NFC Funktionalität.

Durch die Temperaturüberschreitung/Unterschreitung wird ein Phasenübergangerster Ordnung in dem Sensormaterial verursacht. Dieser Phasenübergang ändertdas magnetische Feld des Sensormaterial (2), welches durch einenMagnetfeldsensor (1) detektiert wird.

Das System kann nach der Auslieferung aktiviert werden (z.b durch mechanischesAnbringen oder Abbrechen von Teilen des Sensors, magnetische Felder und tiefenbzw. hohen Temperaturen). Dies spart Energie und Kosten. Der Sensor ist einpassives Element, das keine eigene Energieversorgung benötigt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung kann die folgenden wesentlichsten Bestandteiledes Sensors enthalten:

(i) Einen Microchip (3), welcher die ID des Sensors speichert und einen RFID

Transponder beinhaltet als auch einen internen oder externenMagnetfeldsensor ausließt. (ii) Ein Sensormaterial (2) welches bei Temperaturüberschreitung bzw.

Unterschreitung einen Phasenübergang erster Ordnung aufweist. (iii) Einen Magnetfeldsensor (1) der das Magnet des Sensormaterial ausließt

Durch das Funksignal des Abfragegeräts kann ein passiver RFID-Transpondergenügend Energie beziehen um einen Magnetfeldsensor (1) auszulesen. AlsMagnetfeldsensor können Standardsensoren wie beispielsweise Hall, AMR, GMR,TMR Sensoren verwendet werden. Da in den meisten Anwendungsfällen nurzwischen zwei verschiedenen Magnetfeldern unterschieden werden muss, könnenauch Switches benutz werden, wie Hall, AMR, GMR, TMR Switches.

Ein zentrales Element ist das Sensormaterial (2) welches innerhalb desTemperaturoperationsbereichs einen Phasenübergang erster Ordnung aufweist,wobei der Phasenübergang im Sensormaterial zu einer Änderung des Magnetfeldesführt. Hier werden in der Erfindung verschiedene Beispiele angegeben.

In einer Ausgestaltung des Sensors beinhaltet das Sensormaterial (2) magnetischeTeilchen bzw. einen Magneten (4) der in einer Flüssigkeit (13) gelagert ist. Wird dieFlüssigkeit unter den Gefrierpunkt abgesenkt, erstarrt diese Flüssigkeit und fixiert diePosition und Orientierung des Magneten.

Wird der Magnet vor dem Einfrieren magnetisiert und wird während des Gefrierensein zusätzliches äußeres Magnetfeld angelegt, kann der Magnet, in jede beliebigeMagnetisierungsrichtung eingefroren werden.

Alternativ kann im eingefroren Zustand durch Anlegen eines starken Magnetpulsesdie Magnetisierung des Magneten in die Richtung des Magnetfeldpulses magnetisiertwerden. Befindet sich neben dem eingefrorenen Magneten ein weiterer Magnet derim Sensorgehäuse fixiert ist, wird beim Auftauen die Position bzw. die Orientierungdes Magneten verändert, sodass die magnetische Energie minimiert wird.

Durch die Änderung der magnetischen Ausrichtung bei Überschreiten /Unterschreiten der kritischen Temperatur ändert sich das magnetische Streufeld, dasauf den Magnetfeldsensor (1) wirkt. Aus der Änderung des Magnetfeldes, welchesvom Microchip ausgelesen wird und mittels RFID Protokoll an das Auslesegerät geschickt wird, kann somit auf die Temperatur und auch auf die Überschreitung bzw.Unterschreitung einer kritischen Temperatur geschlossen werden.

Viele Flüssigkeiten zeigen das Phänomen von Supercooling, das heisst, dieAbsenkung der Temperatur einer Flüssigkeit unter den Gefrierpunkt, ohne dass dieseerstarrt. Dieser Effekt beschränkt die Genauigkeit von vielen chemischen Indikatorenfür die Überwachung der Unterschreitung von kritischen Temperaturen (Manske1982). Um dieses Problem zu minimieren können als Flüssigkeiten organischeVerbindungen verwendet werden, wie zum Beispiel Verbindungen aus Tabelle 1.

Tabelle 1: Gefrierpunkt verschiedener Organischer Verbindungen (Manske 1982).

Die meisten Flüssigkeiten eigenen sich für diese Aufgabe. So können beispielsweiseAlkohol (Ethanol) -Wassergemische verwendet werden um den Gefrierpunkt in einengroßen Bereich einzustellen, Wasser-Salz Gemische, Glyzerin oder auch organischeVerbindungen wie in Tabelle 1. aufgelistet. Um die Unterschreitung einer kritischenTemperatur detektieren zu können ist die Unterbindung von Supercooling notwendig.Neben der schon erwähnten Verwendung der organischen Materialien können auchnicht organische Flüssigkeiten verwendet werden, mit geeigneten eisbildentenSubstanzen, die als Nukleationskeime dienen. So wird in Deuterium Dioxide 4 (schweres Wasser) mit den eisnukleation Proteinen von Pseudomonas syringaeverwendet (Kagan 2009).

In (Johnson 1980) wird die Verwendung von Kupfersulfat als Eisbildende Substanzvorgeschlagen. Eine weiter bekannte Möglichkeit ist die Verwendung vonSilberiodid, die Supercooling bei Wasser auf ca. -1°C limitiert (Chen 1999).

Andere Flüssigkeiten die verwendet werden können sind latentWärmespeichermaterialien. Führt man diesen Materialien Wärme zu, beginnen diesebei Erreichen seiner Schmelztemperatur den Aggregatzustand von fest nach flüssigzu ändern, Während dieses Phasenwechsels absorbieren diese Materialien dieSchmelzwärme. Beispiele für Wärmespeichermaterialien sind Salzhydrate.

Das Sensorelement (2) kann auch zur Gänze oder zu einem Großteil aus einemmagnetokalorischen Material oder einer Formgedächtnislegierung bestehen, dessenMagnetisierung und in Folge das erzeugte Streufeld in der Nähe der kritischenTemperatur stark geändert wird.

Mit Überschreitung / Unterschreitung einer kritischen Temperatur können sowohl beimagnetokalorischen Materialien als auch bei Formgedächtnislegierung die folgendenÜbergänge beobachtet werden: (i) Zustand mit hoher Magnetisierung zu Zustand mit niedriger Magnetisierung (ii) Zustand mit niedriger Magnetisierung zu Zustand mit hoher Magnetisierung

Bei magnetokalorischen Materialien sind diese Phasenübergänge oft reversibel. Dasheißt, wird die kritische Temperatur nach der Überschreitung wieder unterschritten istder magnetische Zustand des Plättchens der gleiche beziehungsweise sehr ähnlichwie der Ausgangszustand. Solch eine reversible Magnetisierungsänderung istgeeignet um Temperatursensoren für die Bestimmung der momentanen Temperaturmit hoher Auflösung in der Nähe der kritischen Temperatur zu realisieren. So kannbeispielsweise, für Fieberthermometer eine hohe Auflösung im Bereich von 35°C bis42°C erreicht werden. Magnetokalorische Materialien können verwendet werden, dieeine starke Änderung der Magnetisierung in diesem Temperaturbereich zeigen. Diekritische Temperatur kann beispielsweise bei 45°C liegen.

Reversible Magnetisierungsänderung ist jedoch für die Detektion einerMaximal/Minimaltemperatur nicht geeignet. Vielmehr sind für

Maximal/Minimaltemperatur Sensoren, magnetische Materialien benötigt, die nachÜberschreitung der kritischen Temperatur zu einer irreversiblen Änderung desmagnetischen Zustandes führen oder zumindest eine beträchtliche thermischeHysterese zeigen, die oft bei Formgedächtnislegierung zu finden ist.

Der Begriff thermische Hysterese sollt an folgendem Beispiel illustriert werden. Beider Formgedächtnislegierung Ni-Mn-In-Co erfolgt beispielsweise ein Übergang vonniedriger Magnetisierung zu hoher Magnetisierung, wenn eine Temperatur von 7°Cüberschritten wird. Bei erneuter Abkühlung ist jedoch die Unterschreitung von -33°Cerforderlich um wieder in den Zustand mit niedriger Magnetisierung zu wechseln. Indiesem Fall ist die thermische Hysteresis 40°C und ausreichend um eine zumindesteinmalige Temperaturerhöhung über 7°C dauerhaft zu detektieren. Erst wenn derSensor auf -33°C gekühlt wird, wird der Sensor in den Ausgangszustandzurückgesetzt.

Ein Beispiel für ein Material, das in einem Temperatursensor für die Detektion einerkritischen Maximaltemperatur verwendet kann, ist NiMnGa. Die kritische Temperaturwo die martensitische Umwandlung stattfindet, kann durch Wahl der Legierung imBereich von 175K zu 450K liegen [Ma 2000], Unterhalb der kritischen Temperatur istNiMnGa in einer tetragonalen Phase, die bei geeigneter Wahl der Korngröße aucheine genügend große kristalline Anisotropie besitzt um hartmagnetischeEigenschaften aufzuweisen. Im speziellen kann eine Remanenz ungleich Nullrealisiert werden, wenn das Plättchen bei der Aktivierung durch ein äußeres Feldgesättigt wird. Wird nun der Sensor über die kritische Temperatur erwärmt, findet einPhasenübergang statt, die tetragonale Phase geht in eine kubische Phase über unddie mittlere Magnetisierung verschwindet. Bei erneuter Abkühlung kann zwar wiederdie tetragonale Phase erreicht werden, jedoch würde während der Abkühlung einbeträchtliches Feld benötigt werden, um einen magnetischen Zustand mit einerMagnetisierung ungleich Null zu erreichen. Somit wird bei einmaliger Überschreitungder kritischen Temperatur die mittlere Magnetisierung des Sensorelements (2) naheNull gesetzt. In Folge erzeugt das Sensormaterial kein Streufeld und dasMagnetfeldfeld das auf den Magnetfeldsensor wirkt verändert sich. Dadurch kann dieeinmalige Erwärmung über die kritische Temperatur festgestellt werden.

Anstatt das Sensormaterial durch Abkühlen zu aktivieren kann auch die Aktivierungdurch mechanische Spannungen vorgenommen werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Sensorelement auf Basis einer derLegierungen Gd5(Sii.xGex)4, Ni-Mn, Ni-Mn-Ga, Ni-Mn-ln-(Co), La-Fe-Si, La-Fe-Si-Co,La-Fe-Si-Co-B, , La-Fe-Si-Cu, La-Fe-Si-Ga, La(Fe, Si.Co), LaFexSii.x, La(Fe,Si)i3,RCo2 mit R aus (R=Dy,Ho, Er), DyAI2 , Ni-Ti, DyNi2 Tb-Gd-Al, Gd-Ni, Mn-As-Sb,MnFe-P-As ausgebildet sein.

In einer weiteren Ausgestaltung des Sensors können magnetische Teile durchFormgedächtnislegierung mechanisch fixiert werden. Formgedächtnislegierungzeigen die Eigenschaft, dass sich sowohl dir Form als auch das Volumen desElements bei Erwärmung oder Abkühlung stark verändern. Somit kannBeispielsweise eine Formgedächtnislegierung in der Hochtemperaturphase einenMagneten fixieren, jedoch bei Abkühlung die Form der Art verändern, dass dieFixierung gelöst wird. Ein Beispiel für eine Formgedächtnislegierung mit starkerFormänderung ist Nitinol (Nickel-Titan-Legierung).

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestelltenAusführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt dabei

Fig. 1: eine schematische Schrägrissdarstellung eines Sensors

Fig. 2: Aufsicht des Sensors im nicht ausgelösten Zustand (Kühlekette nicht unterbrochen), wobei die obere Verdeckung nicht dargestellt ist, um die Magnete zu zeigen

Fig. 3: Aufsicht des Sensors im ausgelöstem Zustand (Kühlkette wurdeunterbrochen), wobei die obere Verdeckung nicht dargestellt ist, um die Magnete zuzeigen

Fig. 4: Alterative Ausgestaltung des Sensors mit rechteckig fixiertem MagnetFig. 5: Sensorelement mit Fixierung durch Formgedächtnislegierung (nichtausgelöst)

Fig. 6: Sensorelement mit Fixierung durch Formgedächtnislegierung (ausgelöst)

Fig. 7: Sensorelement mit alternativer Fixierung durch Formgedächtnislegierung(nicht ausgelöst)

Fig. 8: Sensorelement mit alternativer Fixierung durch Formgedächtnislegierung(ausgelöst)

Fig. 9: Veränderung des Sensorsignals bei Erwärmung über 0°C.

Fig. 10: Sensor mit mechanischer Aktivierung.

Fig. 11: Aktivierung des Sensors mit einem isotropen und zwei anisotropenMagneten

Fig. 12: Sensor mit Sensorelement aus magnetischem Phasenübergangsmaterial

Fig. 1 - Fig. 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßenSensorvorrichtung bestehend aus einem Magnetfeldsensor (1), einem Mico-Chip (3),der einen RFID Transponder besitzt, eine Antenne (31) und das Sensormaterial(2).Das Sensormaterial beinhaltet zwei fixierte Permanentmagnete (5) und einenPermanentmagnete (4) der in einer Substanz (13) gelagert ist, die oberhalb derkritischen Temperatur T1 flüssig ist. Unterhalb von T1 ist (13) in einem festenAggregatzustand, und fixiert mechanische die Orientierung von Magnet (4). DieMagnete (5) sind mit einem Teil des Gehäuses fix montiert. Aufgrund dermagnetischen Wechselwirkung wirkt ein Drehmoment auf Magnet (4), welches eineparallele Ausrichtung des Magneten (4) bewirkt.

Befindet sich die Substanz (13) im flüssigen Zustand, kann der Magnet (4) durchAnlegen eines äußeren Magnetfeldes, in die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt Richtunggedreht werden. Wird nun der Sensor unterhalb von T1 abgekühlt, geht die Substanz(13) in einen festen Zustand über und der Magnet (4) wird in die wie in Fig. 1dargestellt Richtung fixiert. In diesem Zustand kann der Sensor beispielsweise demzu überwachenden Produkt (pharmazeutisches Produkt, Tiefkühllebensmiittel)beigelegt werden.

Wird nun beispielsweise, während des Transportes, die Temperatur T1 überschritten,geht (13) in die flüssig Phase über und der Magnet (4) wird durch das Magnetfeld,das von den Magneten (5) erzeugt wird gedreht, wie in Fig. 3 dargestellt ist.Aufgrund dieser Dehnung des Magneten, ändert sich das Streufeld, das der Magnet(4) auf den Magnetfeldsensor (1) ausübt.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausgestaltung des Sensors, wo die fixiertenPermanentmagnet (5) eine rechteckige Form haben, sodass diese schon auf Grundseiner Geometrie nicht durch äußere Einflüsse (zb: Magnetfeld, Erschütterungen)gedreht werden können.

In einer weiteren Ausgestaltung des Sensors, können beispielsweise zwei oder mehrMagnete drehbar gelagert sein. Es wird somit kein fixierter Permanentmagnetbenötigt. Werden zwei oder mehr Magnete in einem magnetisch energetisch hohemZustand eingefroren, ändert sich beim Auftauen von (13) die Orientierung eines odermehr Magneten um die magnetische Energie zu minimieren.

Fig. 4 Zeigt eine Ausgestaltung des Sensors, bei dem der rotierende Magnet (4) miteiner Formgedächtnislegierung fixiert ist. Hier, ist der Sensor im nicht ausgelöstenZustand gezeigt. Im speziellen wird hier eine zwei-Weg Formgedächtnislegierungverwendet, die bei Temperaturüberschreitung AF von der Martensit Phase in dieAustenit Phase übergehen und demgemäß die Form A annehmen, die in Fig. 5gezeigt ist.

Bei der Abkühlung unter die Temperatur Mf nimmt die Formgedächtnislegierung dieForm an, die in Fig. 6 gezeigt ist. Dadurch wird die Fixierung vom Magnet 4 gelöst,und dieser rotiert in die Richtung parallel zur Magnetisierung der Magnete 5. DerSensor wird somit ausgelöst.

Es ist auch möglich die Formgedächtnislegierung derart zu trainieren, dass beimErhitzen die Form, wie in Fig. 5 eingenommen wird. Beim Abkühlen die Form ausFig.6. In diesem Fall kann die Unterschreitung einer kritischen Temperatur detektiertwerden.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Sensors, wobei eine Flüssigkeit in einemBehälter (14) eingefüllt bzw. der Teil (14) eine Formgedächtnislegierung ist. Je nachWahl der Flüssigkeit bzw. Formgedächtnislegierung kann sich das Volumen beimGefrieren vergrößern oder verkleinern. Wasser zum Beispiel zeigt eineVolumenvergrößerung um ca. 10%, wobei die organische Flüssigkeiten aus Tabelle1. Eine Volumenverringerung um ca. 10% zeigen. Bei Formgedächtnislegierung tritteine Dehnung von einigen Prozent auf, wenn die Temperatur unter AF verringertwird.

Gefriert nun die Flüssigkeit in (14) und dehnt sich diese aus, wird nun dieVerriegelung (51) gelöst und der Magnet (4) kann in die parallele Ausrichtung zu denMagneten (5) gedreht werden. Der gleiche Mechanismus kann mit einerFormgedächtnislegierung realisiert werden, wenn (14) durch Unterkühlungausgedehnt wird.

Dieser Sensor kann als Gefrierindikator verwendet werden, da die Unterschreitungvon T1 eindeutig und irreversible gezeigt werden kann. Die Form (51) kannbeispielsweise aus einem Kunststoffplättchen gestanzt werden.

Fig. 8 zeigt eine andere Ausgestaltung des Temperaturindikators.

Wie bereits erwähnt zeigen jedoch viele Wassergemische den Effekt vonSupercooling. Teilweise kann dieses Problem durch Hinzugabe einer EisbildendenSubstanz gelöst werden, wie bereits im einleitenden Abschnitt erwähnt wurde.

Fig. 9 zeigt das Verhalten eines Sensors aus Fig. 1 bei dem Wasser als Flüssigkeitverwendet wurde und somit der Sensor auf eine kritische Temperatur von 0 °Ceingestellt wurde. Zur Genauigkeit der kritischen Temperatur ist anzumerken, dassder Sensor - genauso wie das zu überwachende Kühlgut - eine thermische Trägheitaufweist. Daher kann und soll der Zustandswechsel nicht immer bei ein undderselben Lufttemperatur auftreten. Der Sensor soll vielmehr sensibel bezüglich derDauer und Höhe der Temperaturüberschreitung bzw. des thermischenAusgangszustands sein.

Im Falle eines quasistatischen Temperaturanstiegs ist zu erwarten, dass derÜbergang exakt bei 0 °C stattfindet. Je steiler der zeitliche Lufttemperaturanstieg ist,desto stärker wird der Übergang verzögert, da die Lufttemperatur der Temperatur imSensorinneren vorauseilt. In Fig.9 ist der Übergang bei sehr schnellerTemperaturänderung dargestellt. Durch die Temperaturänderung schmilzt dieFlüssigkeit 13, was zu einer Drehung von Magnet 4 führt. In Konsequenz wird dasdetektierte Magnetfeld verändert und das Sensorsignal wird mittels RFID Signalübermittelt. In Fig. 9 wurde das Signal mittels NFC Protokoll mit einemhandelsüblichen Handy detektiert.

Die nicht dargestellte Schutzhülle, in die der Sensor eingebettet ist, kann aus denunterschiedlichsten Materialien bestehen. Kunststoffe wie Thermoplaste, Duroplaste,Elastomere sind besonders bevorzugt. Bei Hochtemperaturanwendungen könnenfeuerfeste Keramiken wie Verbindungen von Silicat-Rohstoffen, Verbindungen aufder Basis von Magnesit, Si-Oxide, Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Bomitrid,Zirkonoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Wolframcarbid und Aluminiumtitanatverwendet werden. Die Verwendung von Dampfsperren kann von Vorteil sein,sodass die Flüssigkeit (13) nicht verdampft. Der Sensor kann durch industriellgängige Methoden verschlossen werden, wie zum Beispiel reibschweißen, laserschweißen, kleben oder erhitzen. So kann Beispielsweise der Sensor zuerst mitallen notwendigen Komponenten verschlossen werden und erst in einem weiterenProduktionsschritt die Flüssigkeit (13) nachträglich durch eine oder mehrereÖffnungen in den Sensor gefüllt werden. Es kann von Vorteil sein, wenn zusätzlichein oder mehrere Lüftungslöcher existieren, sodass die Flüssigkeit in den Sensorgefüllt werden kann. Diese Löcher können nachträglich verschlossen werden. ZumBeispiel durch Erhitzung und Einfüllen eines zusätzlichen Verschlussmaterials,welches schon bei der Produktion der Hülle neben dem Loch angebracht ist.

Fig. 10 zeigt eine Ausgestaltung des Sensors, bei dem die Aktivierung durch dasmechanische Entfernen des Elements (99) geschieht. Das Element (99) beinhalteteinen semiharten bzw. einen Hartmagnet. Wird der Sensor mit dem Element (99)eingefroren, wird eine Magnetisierungsrichtung durch das Streufeld von dem Element(99) auf den Magneten (4) eingestellt. Dadurch wird der Magnet (4) ausgelenkt. Wirdnun der Sensor in diesem Zustand eingefroren und danach das Element (99)mechanisch entfernt (z.b.: abgebrochen) ist der Sensor aktiviert. Das heißt, geht dieSubstanz (13) in die flüssige Phase über, dreht sich der Magnet (4) und das Streufeldändert sich.

Alternativ kann der Sensor aktiviert werden, indem während des Einfrierens einMagnetfeld angelegt wird. Durch Stärke und Richtung des Magnetfeldes kann jedebeliebige Richtung von Magnet (4) realisiert werden.

Eine weitere Möglichkeit der Aktivierung besteht darin, dass ein bestimmterMagnetfeldpuls nach Einfrieren des Sensors angelegt wird. So kann beispielsweiseder Magnet (5) aus einem magnetisch härterem Material (mit Koerzitivfeld Hc1)bestehen als Magnet (4) (Koerzitivfeld Hc2). Somit kann mittels eines Feldpulses derStärke H>Hc1 in einem ersten Schritt beide Magnete in eine Richtung magnetisiertwerden. In einem zweiten Schritt wird mit einem Magnetfeldimplus H, (Hc2<H<Hc1)nur der Magnet (4) magnetisiert. Somit kann wieder jede beliebige Richtung derMagnetisierung in (4) und (5) eingestellt werden. Der Vorteil dieser Aktivierung ist,dass kein Magnetfeld während des Einfrierens angelegt werden muss. Der obigeAktivierungsmechanismus ist nur als Beispiel angegeben. So kann selbstverständlichauch der Magnet (5) magnetisch weicher sein als der Magnet (4).

Eine weitere Aktivierungsmöglichkeit ist, die Magnete (5) aus einem anisotropen(uniaxial) Magnetmaterial zu fertigen, welche nur eine Magnetisierung in eine

Richtung erlaubt. In Fig. 11 ist die Anisotropierichtung der Magnete 5 mit den Pfeilendargestellt. Der Magnet (4) ist aus einem isotropen Material gefertigt, wie in Fig. 11dargestellt. Es kann somit mit einem Magnetpuls in Richtung Beispielsweise 45° inBezug auf die anisotrope Richtung von (5) die Magnetisierung in (4) und (5) in einembeliebigen Winkel (Im Beispiel ca. 45°) realisiert werden.

In Fig. 12 ist ein Sensormaterial dargestellt, welches aus einem magnetischenMaterial (16) besteht, welches einen Phasenübergang erster Ordnung aufweist.Beispiel für solch ein Material sind Formgedächtnislegierung oder magnetokalorischeMaterialien.

Optional kann der Sensor einen Bias Magneten beinhalten (17) welcher denArbeitspunkt des Sensors einstellt.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispielebeschränkt, sondern kann verschiedentlich abgewandelt werden. Wesentlich ist,dass die Temperaturmessung auf eine starke Änderung der Magnetisierungzurückgeführt wird. Der Sensor kommt ohne eigene Energieversorgung aus und diefür den Messvorgang nötige Energie ebenso wie das Messergebnis, so wie obenbeschrieben, berührungslos übertragen wird.

Es sind auch unterschiedliche Kombinationen der gezeigten und beschriebenenElemente möglich und es können in Zukunft selbstverständlich auch neueMaterialien, die die angeführten Eigenschaften besitzen, verwendet werden, auchwenn unter Umständen deren Benennung nicht mit der derzeit üblichenübereinstimmt. Der Grund für diese explizite Feststellung ist, dass sich gerade dieMaterialwissenschaften in rascher Entwicklung befinden und daraus keineEinschränkung des Schutzes abgeleitet werden soll.

Als Literatur zum Stand der Technik sei genannt: (Bergmair 2012) B. Bergmair, J. Liu, T. Huber, O. Gutfleisch, D. Suess "Wirelessand passive temperature indicator utilizing the large hysteresis of magnetic shapememory alloys." Applied Physics Letters, vol 101.4, 2012, p. 042412. (Fletcher 2001) R. Fletcher and N. Gershenfeld, “Wireless monitoring oftemperature,” U.S. Patent 6208253, March 27, 2001. (Gershenfeld 1997) N. Gershenfeld, R. Fletcher, “Electrically active resonantstructures for wireless monitoring and control”, U.S. Patent 6025725,1997. (Herzer 2001) G. Herzer, “Der große Lauschangriff auf Ladendiebe,” PhysikalischeBlaetter, vol. 57, 2001, pp. 43-48. (Ma 2000) Y. Ma, S. Awaji, K. Watanabe, M. Matsumoto, and N. Kobayashi, “Effectof high magnetic field on the two-step martensitic-phase transition in NiMnGa,”Applied Physics Letters, vol. 76, 2000, p. 37. (Manske 1982) “Critial Temperature indicator”, US Patent, Appl. US 4457252 A. (Veitch 1996) R. Veitch, G. Bettinger, N. Schneider, “Temperatur-Indikator fürgekühlte Produkte oder ähnliches“, DE 196 22 671 A1. (Veitch 1992) R. Veitch, J. Helmut, P, Heilmann, „Temperatur-Indikator fürtiefgefrorene Produkte“ ,DE 4210739 A1. (Walker 2003) D. Walker, “Magnetoacoustic sensor system and associated methodfor sensing environmental conditions,” U.S. Patent WO 03091679 A1, November6, 2003. (Ma 2000) Y. Ma, S. Awaji, K. Watanabe, M. Matsumoto, and N. Kobayashi, “Effectof high magnetic field on the two-step martensitic-phase transition in NiMnGa,”Applied Physics Letters, vol. 76, 2000, p. 37. (Zeng 2007) K. Zeng and C.A. Grimes, “Wireless Magnetoelastic Physical, Chemical,and Biological Sensors,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 43, 2007, pp.2358-2363.

Claims (20)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Ein drahtlos auslesbarer Sensor (11) zur Bestimmung einer Temperatur odereiner Temperaturänderung innerhalb eines Temperaturoperationsbereichesdadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Sensormaterial (2) und einenMicrochip (3) beinhaltet, wobei mit der Energie des elektromagntischen Feldeseines RFID Lesegerätes der Microchip einen Magetfeldsensor (1) ausließt unddas Sensormaterial (2) innerhalb des Temperaturoperationsbereichs einenPhasenübergang erster Ordnung aufweist, wobei der Phasenübergang imSensormaterial zu einer Änderungen des Magnetfeldes fuhrt, welches auf denMagnetfeldsensor (1) wirkt und das veränderte Magnetfeld welches vomMagnetfeldsensor ausgelesen wird zur Identifikation der Temperatur dient.
2. 2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dasSensormaterial (2) eine Substanz beinhaltet die unterhalb von T1 in einemfesten Aggregatzustand ist und bei der Erwärmung oberhalb von T1 in eineflüssige Phase übergeht, und auf Grund dieser Änderung desAggreatzustandes die Orientierung und/oder Position von mindestens einemmagnetischen Teil in dem Sensormaterial (2) derart beeinflusst wird, dass dasvon den magnetischen Teilen erzeugte Magnetfeld verändert wird und diesesMagnetfeld auf den Magnetfeldsensor (1) wirkt.
3. 3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieÜberschreitung der kritischen Temperatur zu einer irreversiblenMagnetisierungsänderung in einem der magnetischen Teilen imSensormaterial (2) führt.
4. 4. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dasszumindest ein magnetischer Teil (4) direkt in eine Flüssigkeit (13) eingelegt ist.
5. 5. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durchdie Volumenausdehnung einer Flüssigkeit beim Gefrieren, mechanisch eine Verriegelung gelöst wird, die bei Verriegelung einen Magneten (4) hindert eineRichtung einzunehmen, die die magnetische Streufeldenergie minimiert.
6. 6. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil(99) des Sensors weggebrochen werden kann, der einen Magnetenbeinhaltet.
7. 7. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dasSensormaterial ein Magnetmaterial mit uniaxialer Anisotropierichtungbeinhaltet
8. 8. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dasSensormaterial ein Magnetmaterial mit uniaxialer Anisotropierichtungbeinhaltet und ein Magnetmaterial mit isotroper Anisotropie beinhaltet.
9. 9. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derSensormaterial (2) eine Formgedächtnislegierung ist.
10. 10.Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derSensormaterial (2) aus einem magnetokalorischen Material besteht.
11. 11 .Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei derkritischen Temperatur im Sensormaterial (2) ein Übergang von Austenit zuMartensit oder ein Übergang von Martensit zu Austenit stattfindet.
12. 12.Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dertemperaturinduzierte Phasenübergang im Sensormaterial (2) vonferromagnetisch zu paramagnetisch oder paramagnetisch zu ferromagnetischoder ferromagnetisch zu antiferromagnetisch oder anitferromagnetisch zuferromagnetisch oder ferromagnetisch zu nicht ferromagnetisch oder nichtferromagnetisch zu ferromagnetisch ist.
13. 13. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieÜberschreitung der kritischen Temperatur zu einer irreversiblenMagnetisierungsänderung im Sensormaterial (2) führt.
14. 14.Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dasSensormaterial (2) auf Basis einer der Legierungen bzw. Elemente Gds(Sii-xGex)4, Ni-Mn, Ni-Mn-Ga, Ni-Mn-In, Ni-Mn-ln-(Co), La-Fe-Si, La-Fe-Si-Co, La-Fe-Si-Co-B, , La-Fe-Si-Cu, La-Fe-Si-Ga, La(Fe, Si,Co), LaFexSii.x,La(Fe,Si)i3, RCo2 mit R aus (R=Dy,Ho, Er), DyAI2, DyNi2 Tb-Gd-Al, Gd-Ni,Mn-As-Sb, MnFe-P-As , Gd, Mn, La, Co, Er, Fe, Nd, ausgebildet ist oder eineManganit Legierung ist oder Ni-Mn-In-Co Partikel oder Ni-Mn-Ga Partikelenthält.
15. 15. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derMagnetfeldsensor (1) ein GMR oder TMR Sensor ist.
16. 16.Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derMagnetfeldsensor (1) ein GMR oder TMR Switch ist.
17. 17. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derMagnetfeldsensor ein Hall Sensor ist.
18. 18.Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derMagnetfeldsensor ein Hall Switch ist.
19. 19.Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derMagnetfeldsensor ein AMR Sensor ist.
20. 20. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derMagnetfeldsensor ein AMR Switch ist.