AT523450A1 - Durchdringbares Element - Google Patents

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AT523450A1
AT523450A1 ATA50062/2020A AT500622020A AT523450A1 AT 523450 A1 AT523450 A1 AT 523450A1 AT 500622020 A AT500622020 A AT 500622020A AT 523450 A1 AT523450 A1 AT 523450A1
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AT
Austria
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carrier material
conductor track
conductive material
conductive
medium
Prior art date
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ATA50062/2020A
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English (en)
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Stockinger Dipl Ing Bsc Thomas
Schwödiauer Dipl Ing Dr Reinhard
Kaltenbrunner Univ Prof Dipl Ing Dr Martin
Müller Dr Rer Nat Uwe
Original Assignee
Univ Linz
Kompetenzzenrum Holz Gmbh
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Publication date
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Priority to CN202180010587.2A priority patent/CN115211238A/zh
Priority to US17/795,045 priority patent/US20230085480A1/en
Priority to PCT/AT2021/060022 priority patent/WO2021151132A1/de
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Element in Form eines Sensors, eines aktiven elektronischen Bauteils, eines Schalters, einer Schaltung, oder eines elektrischen Leitungspfades zur Integration in ein Umgebungsmedium, welches Element vom Umgebungsmedium durchdringbar ist und ein poröses nicht-leitfähiges Trägermaterial (2) und zumindest eine am Trägermaterial (2) vorliegende Leiterbahn (1) aus leitfähigem Material (3) aufweist, wobei die Öffnungen (9) des Trägermaterials (2) im Bereich der Leiterbahn (1) offen sind, sowie dessen Verwendung und Herstellung.

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein durchdringbares Element zur Integration in ein Umgebungsmedium, umfassend zumindest eine
Leiterbahn auf einem porösen nichtleitfähigen Trägermaterial.
Die US20190011288A1 betrifft einen Sensor, bei welchem eine Leiterbahn als Folie aufgeklebt ist, oder mit einer leitenden Tinte aufgezeichnet ist. Nachteilig scheint die als gering anzusehende Durchlässigkeit des gewöhnlichen Papiers und die Methode der Aufbringung, da die leitende Folie und der Auftrag der leitenden Tinte die Öffnungen im Papier zu verschließen scheinen. Zudem ergibt sich beim einseitigen Auftrag von Tinte eine unzulängliche Umhüllung der Fasern bzw. wird die Leiterbahn
nicht durchgehend an beiden Seiten des Papiers vorliegen.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, ein elektrisches oder elektronisches Element zu schaffen, welches in ein Umgebungsmedium integrierbar ist und dieses möglichst wenig beeinflusst, insbesondere hinsichtlich Umwandlungs- und Aushärteprozesse und mechanischer und/oder chemischer
Beständigkeit.
Für das Lösen der Aufgabe wird ein Element gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Elements, sowie die Verwendung des Elements.
Das Element umfasst ein nichtleitfähiges Trägermaterial, welches durch ein Umgebungsmedium durchdringbar ist. Das Trägermaterial liegt bevorzugt als dünne flächige Schicht, beispielsweise in
Form eines Blattes oder eines Streifens, vor.
Als durchdringbares Trägermaterial ist ein Trägermaterial zu verstehen, welches Öffnungen aufweist, welche sich von einer
Seite des Trägermaterials zur anderen erstrecken.
Beim durchdringbaren Trägermaterial kann es sich um ein Gewebe, ein Vlies, eine Fasermatte oder einen offenzelligen Schaumstoff oder Schwamm handeln. Weniger bevorzugt kann das Material
zunächst als dichte Schicht hergestellt werden und danach durch
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Perforationen zu einem durchdringbaren Trägermaterial gemacht werden. Beispielsweise kann eine Folie durch Perforation zu
einem durchdringbaren Trägermaterial gemacht werden.
Das durchdringbare Trägermaterial kann insbesondere aus Papier, Stoff, Glasfasern, mineralischen Fasern oder nicht-leitfähigem
Kunststoff gebildet sein.
Die Leiterbahn ist aus leitfähigem Material gebildet, welches
auf das durchdringbare Trägermaterial aufgebracht wird.
Bevorzugt ist das durchdringbare Trägermaterial im Bereich der Leiterbahn weiterhin durchdringbar, was bedeutet, dass das leitfähige Material die Öffnungen des durchdringbaren
Trägermaterials nicht verschließt.
Das leitfähige Material liegt zumindest an einer Seite des
Trägermaterials vor.
Bevorzugt umhüllt das leitfähige Material im Bereich der Leiterbahnen das Material des Trägermaterials vollständig. Dies bedeutet, dass das Material der Leiterbahnen an beiden Seiten des Trägermaterials vorliegt, wobei das Material der Leiterbahnen an den beiden Seiten durch die Öffnungen des
Trägermaterials hindurch miteinander in Verbindung steht.
Anders formuliert umhüllt das Material der Leiterbahn das Material des Trägermaterials bevorzugt vollständig, welches zwischen zwei aneinander angrenzenden Öffnungen des Trägermaterials vorliegt. Bevorzugt verbleiben dabei im Bereich der Leiterbahn weiterhin Öffnungen des Trägermaterials, welche
nicht durch das Material der Leiterbahn verschlossen sind.
Am Beispiel eines Gewebes oder Vlieses bedeutet dies, dass die Fasern des Gewebes oder Vlieses im Bereich der Leiterbahnen vollständig vom Material der Leiterbahnen umschlossen sind und zumindest einige der Öffnungen zwischen den umschlossenen Fasern
im Bereich der Leiterbahnen nicht verschlossen sind.
Zur Herstellung des durchdringbaren Elements wird vorgeschlagen,
dass auf ein bereits durchdringbares Trägermaterial das Material
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der Leiterbahn aufgebracht wird. Das Aufbringen des Materials der Leiterbahn kann einseitig erfolgen oder an beiden Seiten des
Trägermaterials.
Bevorzugt werden dabei die Öffnungen des Trägermaterials nicht
verschlossen.
Das Aufbringen des Materials der Leiterbahnen auf das Trägermaterial erfolgt bevorzugt durch Bedampfen mit leitfähigem Material, insbesondere durch Vakuumbedampfen. Das Bedampfen kann durch eine Maske hindurch erfolgen, um bereits vordefinierte
Flächen oder Bahnen der Leiterbahnen aufzubringen.
Bevorzugt wird jedoch in einem ersten Verfahrensschritt Material für die Leiterbahnen flächig aufgebracht und in einem zweiten Schritt dieses Material gezielt entfernt, um aus dem £flächigen Auftrag Leiterbahnen herauszubilden. Das flächige Aufbringen kann dabei über die gesamte Fläche des Trägermaterials erfolgen,
oder über eine oder mehrere Teilflächen dessen.
Bevorzugt wird im ersten Schritt leitfähiges Material flächig auf das Trägermaterial aufgebracht, insbesondere aufgedampft,
ohne dabei die Öffnungen des Trägermaterials zu verschließen.
Bevorzugt wird im ersten Schritt leitfähiges Material von beiden Seiten her flächig auf das Trägermaterial aufgebracht, insbesondere aufgedampft, ohne dabei die Öffnungen des Trägermaterials zu verschließen. Das Aufbringen kann dabei im ersten Schritt in zwei Durchläufen erfolgen, mit dazwischenliegendem Wenden des Trägermaterials. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Material des Trägermaterials, welches zwischen den Öffnungen vorliegt, beidseitig und
bevorzugt vollständig vom leitfähigen Material umschlossen ist.
Das Aufbringen kann auch in einem Schritt beidseitig erfolgen, beispielsweise wenn das Trägermaterial nicht auf einer Oberfläche liegt, sondern im Raum gespannt ist. Zudem kann das leitfähige Material auf eine Bahn des Trägermaterials,
beispielsweise eine Papierbahn, aufgetragen werden, welche durch
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die Vorrichtung zum Aufbringen des leitfähigen Materials bewegt
wird.
Durch das bevorzugte doppelseitige Auftragen des leitfähigen Materials verbessert sich die Leitfähigkeit und man kann geringere Schichtdicken der leitfähigen Schicht verwenden. Alternativ oder zusätzlich kann dadurch die Breite der
Leiterbahn verringert werden.
Ein einseitiges Aufbringen, insbesondere durch Aufdampfen, ist
Jedoch auch möglich.
Bevorzugt liegt das Trägermaterial nach dem ersten Schritt flächig mit leitfähigem Material versehen vor, wobei die Öffnungen des Trägermaterials im mit leitfähigem Material versehenen Bereich weiterhin offen sind. Bevorzugt liegt das leitfähige Material dabei beidseitig des Trägermaterials vor, wobei die beiden Seiten durch die Öffnungen des Trägermaterials
hindurch leitenden verbunden sind.
Im zweiten Schritt wird das leitfähige Material entsprechend der herzustellenden Leiterbahn bzw. Leiterbahnen vom Trägermaterial entfernt. Das erfolgt ohne das Trägermaterial zu zerstören. Daher ist nach dem zweiten Schritt weiterhin Trägermaterial im
Bereich zwischen den Leiterbahnen vorhanden.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Variante wird vorgeschlagen, das leitfähige Material durch Laserablation abzutragen. Überraschend wurde festgestellt, dass Laserablation an nur einer Seite des Trägermaterials ausreichend ist, um das leitfähige Material an beiden Seiten des Trägermaterials zu entfernen. Das Material des Trägermaterials wird dabei nicht zerstört. Das einseitige Abtragen durch Laser ist vorteilhaft, da ein Wenden und Ausrichten des Trägermaterials unterbleiben kann, was insbesondere bei sehr feinen Leiterbahnstrukturen bzw.
geringen Abständen zwischen den Leiterbahnen vorteilhaft ist. Laserablation ist vorteilhaft, da sehr feine Strukturen hergestellt werden können, was mit anderen Verfahren nicht möglich scheint.
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Das Entfernen des Materials kann weniger bevorzugt auch durch
Lithografiemethoden erfolgen.
Das Aufbringen der Leiterbahnen mit Masken (Beispielsweise Bedampfen durch eine Maske hindurch) oder das Entfernen von leitfähigem Material mittels Masken (Ätzen durch eine Maske hindurch) ist zwar grundsätzlich möglich, jedoch werden dabei nicht so feine Strukturen wie beim bevorzugten Verfahren mit Laserablation erreicht. Nachteilig ist zudem, dass für jede zu erzeugende leitfähige Struktur eine eigene Maske benötigt wird. Zudem benötigt man bei beidseitigem Auftrag oder beidseitigem Entfernen beidseits des Trägermaterials eine Maske, sodass die Masken sehr exakt zueinander Ausgerichtet werden müssen, oder bei Verwendung einer einzelnen Maske das Trägermaterial nach dem
Wenden sehr exakt repositioniert werden muss.
Bevorzugt wird das leitfähige Material im gasförmigen Zustand
oder als Plasma auf das Trägermaterial aufgebracht.
In einer weniger bevorzugten Variante wird eine flächige Beschichtung des Trägermaterials mit einem leitfähigen Material in flüssigem Zustand vorgenommen und nachfolgend durch
Entfernung des Materials die Leiterbahnen geformt.
In einer Ausführungsvariante wird das leitfähige Material aufgesprüht. Das aufgesprühte leitfähige Material erhärtet am Trägermaterial. Das Aushärten kann durch Trocknung erfolgen, was durch Trocknungsvorrichtungen wie Gebläse und/oder Heizvorrichtungen unterstützt bzw. beschleunigt werden kann. Bevorzugt erfolgt der Auftrag flächig und die Bildung der Leiterbahnen erfolgt bevorzugt durch Entfernen des leitfähigen
Materials des flächigen Auftrags.
In einer weniger bevorzugten Variante kann das Trägermaterial bereits aus mit leitfähigem Material umhüllten Fasern oder Fäden gebildet werden, beispielsweise indem diese zu einem Vlies oder einem Gewebe versponnen oder verwebt werden, wobei nach Formung
des Vlieses oder Gewebes die Leiterbahnen durch gezieltes
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Entfernen des leitfähigen Materials, bevorzugt durch
Laserablation, herausgebildet werden.
Erfindungsgemäße Elemente in Form von Sensoren können verwendet werden zur Messung von Temperatur, Dichteänderungen, mechanischen Verformungen (Druck, Dehnung, Stauchung, Biegung), chemischen Zustandsänderungen (z.B. Aushärten von Klebstoffen), Nässe, Eindringen von Flüssigkeiten, pH-Wert, biologische Wachstumsvorgänge, Konzentration von Biomolekülen, Zerstörung,
Rissbildung.
Eine Kontaktierung der Leiterbahnen am Trägermaterial kann durch Anlöten von elektrischen Leitungen direkt an der Leiterbahn erfolgen. Es kann eine Klemme beidseits des Trägermaterials an einer Leiterbahn platziert werden. Es kann ein leitfähiges Material an der Leiterbahn aufgeklebt werden. Es kann auch eine Spule, Antenne oder RFID Schaltkreis auf dem Trägermaterial vorgesehen sein. Wenn der Sensor im Einsatzfall im Umgebungsmedium integriert ist, kann die Kommunikation nach außen, aus dem Umgebungsmedium heraus, durch drahtlose Übertragung, insbesondere Nahfeldkommunikation erfolgen. In einer Ausführungsvariante kann das Trägermaterial mit Anschlussstellen der Leiterbahnen aus dem Umgebungsmedium herausragen, sodass die Leiterbahnen direkt kontaktierbar sind. In einer Ausführungsvariante ist der Sensor mit daran angebrachten elektrischen Leitern, insbesondere Kabeln im Umgebungsmedium integriert, wobei die Leiter aus dem Umgebungsmedium herausragen. Der Sensor kann eine Energiequelle aufweisen, oder bevorzugt als passives elektrisches Element
ausgebildet sein.
Das Trägermaterial und/oder die Leiterbahnen können mit reaktiven Oberflächen versehen sein, um beispielsweise pH-Wert
oder Licht messen zu können.
Durch zwei getrennte Elektroden in einer verschachtelten bzw.
ineinandergreifenden Kammstruktur ihrer Leiterbahnen lassen sich
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Veränderungen in den elektrischen Eigenschaften des
Umgebungsmediums mit hoher Empfindlichkeit erfassen.
Mit einfachen Leitern bzw. einzelnen Leiterbahnen mit Kontaktstellen an beiden Enden können Temperaturänderung
und/oder Dehnung gemessen werden.
Mit zwei sich kreuzenden Leiterbahnen aus unterschiedlichen Metallen - Z.B. Nickel-Chrom / Nickel (Typ K) - können Thermoelemente aufgebaut werden. Dabei wird ausgenutzt, dass zwei Leiterbahnen aus unterschiedlichen Metallen an der
Berührungsfläche einen thermoelektrischen Effekt aufweisen.
Bevorzugte Verwendungen des durchlässigen Sensors sind das Messen bei Aushärtungsprozessen (Beton, Klebstoff, Silikon, Lack, etc.) und die kontinuierliche Überwachung von Bauteilen
(mechanische/chemische Strukturänderungen, Feuchtigkeit).
Daneben eignet sich der Sensor auch zur Feuchtigkeitsüberwachung in Hygieneprodukten, Wundüberwachung in der Medizin, Bodenparameter in der Landwirtschaft/Pflanzen, Wachstum/Abbau
von Material in biotechnischen Prozessen.
In einer Ausführungsvariante kann der durchlässige Sensor bzw.
der erfindungsgemäße Aufbau auch zum Heizen der Umgebung durch
Stromfluss in den Leiterbahnen verwendet werden. Beispielsweise können dadurch Klebstoff oder härtbare Harze, wie Epoxidcdharze,
an bestimmten Stellen beschleunigt aushärten bzw. nachhärten
gelassen werden.
Bevorzugt ist das Trägermaterial des Elements eine sehr lose Zellulosefasermatte. Bevorzugt wird das Element in eine Klebefuge, insbesondere eine Leimfuge einer Holzverleimung eingebracht, solange der Leim flüssig ist, bzw. bevor die Bauteile zusammengepresst werden. Die Aushärtung des Klebstoffes insbesondere des Leims und dessen Temperatur kann während der Aushärtung überwacht werden. Das Element verbleibt nach der Aushärtung in der Klebe- oder Leimfuge und kann etwaige
Änderungen in Feuchtigkeit, strukturelle Integrität oder
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Temperatur detektieren oder messen (Structural health
monitoring).
Das gegenständliche Element kann auch unter einer Furnierlage eines Gegenstandes, wie eines Möbels eingesetzt werden. Bevorzugt kann das Element dabei als Temperatur-, Druck- oder Näherungssensor ausgeführt sein, um Berührungen der Oberfläche des Furniers zu detektieren. Durch den besonders flachen und durchlässigen Aufbau des Elements kommt es zu keiner Wölbung des Furniers und zu keiner merklichen Beeinträchtigung des Halts des
Furniers.
Das gegenständliche Element kann zum selben oder anderen Zwecken auch unter einer Beschichtung-, oder einer Putz-, Farb- oder Lackschicht eingesetzt werden, wobei der Halt der Beschichtung,
des Putzes, der Farbe oder des Lackes kaum beeinträchtigt wird.
Beim Material des Trägermaterials handelt es sich bevorzugt um Kunststoff, insbesondere Kunstfasern oder natürliches Material, wie insbesondere Glas- oder Mineralfasern, Pflanzenfasern,
Zellulose oder Baumwolle.
Bevorzugt ist das Trägermaterial maximal 2000 um dick, besonders
bevorzugt maximal 500 um, insbesondere maximal 50 um.
Bevorzugt weist das Trägermaterial eine Porosität von mindestens 10 % auf, besonders bevorzugt mindestens 50 %, insbesondere
mindestens 75 %.
Bevorzugt weist das Trägermaterial eine durchschnittliche Porengröße von mindestens 1 um auf, besonders bevorzugt
mindestens 10 um, insbesondere mindestens 100 um.
Bevorzugt weist das Element im Bereich der Leiterbahn bzw. des leitfähigen Materials eine durchschnittliche Porosität von
mindestens der Hälfte der Porosität des Trägermaterials auf.
Bevorzugt weist das Element im Bereich der Leiterbahn bzw. des leitfähigen Materials eine durchschnittliche Porengröße von
mindestens der Hälfte der Porengröße des Trägermaterials auf.
seite 8
Beim Material der Leiterbahnen handelt es sich bevorzugt um ein leitfähiges Metall, insbesondere Aluminium, Kupfer, Silber, oder Gold, wobei Kupfer besonders bevorzugt wird. Zudem können Carbon
Black und leitfähige Polymere verwendet werden.
Bevorzugt liegt das Material der Leiterbahnen in einer
Schichtstärke von maximal 30 % der durchschnittlichen Porengröße
vor, besonders bevorzugt maximal 10 %, insbesondere maximal 1%.
In einer anderen Ausführungsvariante kann ein durchlässiges Element dadurch realisiert werden, indem in ein nichtleitfähiges Gewebe leitfähige Fasern so eingewebt werden, dass sich ein leitfähiges Muster ergibt. In einer anderen Ausführungsvariante kann ein durchlässiges Element dadurch realisiert werden, indem in eine Fasermatte im entsprechenden Muster leitfähige Fasern
mit eingeklebt werden.
Bevorzugt können die leitfähigen Fasern in beiden Fällen aus nichtleitfähigem Material bestehen, welches von leitfähigem Material ummantelt ist. Durch Entfernen des leitfähigen Materials von den Fasern kann aus dem leitfähigen Muster eine Schaltung bzw. eine Leiterbahn geformt werden. Bevorzugt bleiben die nichtleitfähigen Fasern bei Entfernen des leitfähigen
Materials von diesen erhalten.
In einer Ausführungsvariante kann das Trägermaterial, insbesondere in Form einer Fasermatte, eines Gewebes oder Vlies, zur Gänze aus Fasern aufgebaut sein, welche Fasern einen Kern aus nichtleitfähigem Material und eine Ummantelung aus leitfähigem Material aufweisen. Durch Entfernen des leitfähigen Materials von den Fasern kann eine Schaltung bzw. eine Leiterbahn geformt werden. Bevorzugt bleiben die nichtleitfähigen Fasern bei Entfernen des leitfähigen Materials
von diesen erhalten.
In einer Ausführungsvariante kann die Porosität so gewählt werden, dass der Sensor weitgehend durchsichtig erscheint und sich somit gut in eine optisch ansprechende Umgebung einfügen
kann.
10733
seıte 9
Der durchschnittliche Transmissionsgrad des Elements beträgt bevorzugt zumindest 10 %, insbesondere zumindest 20 %, besonders
Q
bevorzugt zumindest 50 %, insbesondere zumindest 75 %8.
Die hohe Transmission wird bevorzugt durch die Porosität erreicht, was bedeutet, dass das Material (z.b. die Fasern) des Trägermaterials nicht durchsichtig ist und/oder das Material der
Leiterbahnen nicht durchsichtig ist.
In einer Ausführungsvariante kann die Porosität des bereits mit leitfähigem Material versehenen Trägermaterials oder des bereits mit Leiterbahnen versehenen Elements vergrößert werden, indem dieses perforiert wird. Das Perforieren kann mechanisch oder durch Laser- oder Elektroperforation erfolgen. Dieses Perforieren kann im Bereich der Leiterbahnen und/oder im Bereich zwischen den Leiterbahnen erfolgen. Bevorzugt erfolgt das Perforieren unabhängig von der Lage der Leiterbahnen, bzw. erfolgen die Perforationen bevorzugt sowohl im Bereich der Leiterbahnen als auch im Bereich neben den Leiterbahnen, beispielsweise durch Erzeugen von unregelmäßig oder stochastisch verteilten Perforationen oder durch Erzeugen eines regelmäßigen Perforationsmusters. Das Perforationsmuster kann für mehrere gegenständliche Elemente, welche sich in der Anordnung ihrer
Leiterbahnen unterscheiden, einheitlich ausgeführt sein.
Weniger bevorzugt ist es auch möglich eine nicht-poröse Leiterbahn mit oben genannten Perforationen zu versehen. Weniger bevorzugt ist es auch möglich ein nicht poröses Trägermaterial sowohl im Bereich der aufgebrachten Leiterbahnen als auch im Bereich abseits der Leiterbahnen mit oben genannten Perforationen zu versehen. Ein nichtporöses Trägermaterial hat den Nachteil, dass das Material der Leiterbahnen weniger tief in die Struktur des Trägermaterials eindringen kann. Zudem hat die nachträgliche Perforation den Nachteil, dass auch das leitfähige Material entfernt wird, sodass sich dieses nicht in die
nachträglich hergestellten Poren hinein erstreckt.
11733
seıte 10
Bevorzugt wird somit ein bereits poröses Trägermaterial als Ausgangsmaterial verwendet, auf welches nachfolgend das leitfähige Material der Leiterbahnen aufgebracht wird. Das Ausgangsmaterial des porösen Trägermaterials kann aufgrund seiner Struktur porös vorliegen oder bereits vor Aufbringen des leitfähigen Materials mit Perforationen versehen worden sein, wobei das leitfähige Material auch im Bereich der Poren aufgebracht wird und diese beim Aufbringen bevorzugt nicht
verschließt. Die Vorteile des gegenständlichen durchlässigen Elements sind:
- kann durchdrungen werden, woraus eine geringere Störung der umgebenden Prozesse und Materialeigenschaften resultiert (Keine mechanische Fehlstelle im ausgehärteten Klebstoff
oder Beton);
- die Durchdringung des Elements steigert die Empfindlichkeit
der Messung; - einfache Integration im Umgebungsmedium; - kann im Umgebungsmedium verbleiben;
- durch die poröse Struktur ist das Element leichter und
benötigt weniger Material.
Die Erfindung umfasst die Verwendung des erfindungsgemäßen Elements in einem Umgebungsmedium, wobei das Element bei Herstellung oder Verwendung des Umgebungsmediums von diesem
durchdrungen wird.
In einer Ausführungsvariante ist das Umgebungsmedium ein aushärtendes Medium, das bei Herstellung oder Verwendung in fließfähiger oder breiiger Form vorliegt. Das Element wird durch die Aushärtung im Umgebungsmedium eingeschlossen. Die Aushärtung des Umgebungsmediums erfolgt dabei durch die Öffnungen bzw. Poren des Elements hindurch, sodass sich das ausgehärtete Umgebungsmedium durch die Öffnungen des Elements hindurch erstreckt. Die an den beiden Flächen des Elements anliegenden
Bereiche des ausgehärteten Umgebungsmediums sind somit durch die
seıte 11
Öffnungen des Elements fest miteinander verbunden. Bevorzugt erstreckt sich das Umgebungsmedium durch Öffnungen oder Poren, welche im Bereich der Leiterbahnen vorliegen. Bevorzugt erstreckt sich das Umgebungsmedium durch Öffnungen oder Poren, welche im Bereich der Leiterbahnen vorliegen und deren Öffnungsfläche zumindest einseitig vollständig von der Leiterbahn umgeben ist. Bevorzugt erstreckt sich das Umgebungsmedium durch Öffnungen oder Poren, welche im Bereich der Leiterbahnen vorliegen und deren innere Mantelfläche vollständig vom leitfähigen Material der Leiterbahn ummantelt
ist.
In einer Ausführungsvariante wird das Element in einer Klebeoder Leimfuge von Bauteilen eingesetzt, wobei das
Umgebungsmedium ein Klebstoff oder Leim ist.
In einer Ausführungsvariante liegt das Element unterhalb einer Furnierschicht, unterhalb einer Lage einer Sperrholz- oder Multiplexplatte oder im Material einer Spanplatte oder eines
Faserverbundwerkstoffs (GfK) vor.
In einer Ausführungsvariante ist das Element in ein auf eine Oberfläche aufgetragenes Umgebungsmedium integriert, wobei das Element zuvor an der Oberfläche platziert wurde, oder während dem Auftragen des Umgebungsmediums in diesem platziert wurde und das Umgebungsmedium auf der Oberfläche aushärtet. Das Umgebungsmedium kann ausgewählt sein aus: Flüssig aufgetragene
Beschichtung; Farbe; Lack; Beton; Estrich; Putz; Mörtel.
In Ausführungsvarianten wird das Element zu einer oder mehreren der folgenden Anwendungen verwendet: Liefern von Messwerten zum Aushärteprozess des Umgebungsmediums; Beeinflussen des Aushärteprozesses des Umgebungsmediums; zur Detektion oder Messung von Änderungen im Umgebungsmedium nach Aushärtung des Umgebungsmediums; Detektion oder Messung von Änderungen an oder im Nahbereich einer Oberfläche des Umgebungsmediums nach Aushärtung des Umgebungsmediums; Leitung eines Stromflusses an
eine Oberfläche des Umgebungsmediums oder an ein im
seıte 12
Umgebungsmedium eingeschlossenes elektronisches Bauteil; Leitung eines Stromflusses unterhalb der Oberfläche des ausgehärteten
Umgebungsmediums.
Die gegenständliche Erfindung umfasst die durch die angegebenen Verwendungen resultierenden Bauteile, Bauelemente und
Gegenstände.
Insbesondere umfasst die Erfindung auch die hierin beschriebenen ausgehärteten Umgebungsmedien oder Gegenstände mit den darin eingeschlossenen hierin beschriebenen Elementen. Insbesondere umfasst die Erfindung auch die hierin beschriebenen Gegenstände, welche in einer Klebe- oder Leimfuge ein hierin beschriebenes
Element aufweisen. Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen veranschaulicht:
Fig. 1: Veranschaulicht schematisch ein besonders bevorzugtes
Verfahren zur Herstellung eines durchlässigen Elements.
Fig. 2: Veranschaulicht schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen durchlässigen
Elements.
Fig. 3: Veranschaulicht schematisch den Aufbau einer zweiten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen durchlässigen
Elements.
Fig. 4: Veranschaulicht schematisch den Aufbau einer dritten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen durchlässigen
Elements.
Fig. 5: Veranschaulicht schematisch den Aufbau einer vierten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen durchlässigen
Elements.
Fig. 6: Veranschaulicht eine erste bevorzugte Anwendung eines
erfindungsgemäßen Elements.
Fig. 7: Veranschaulicht eine zweite bevorzugte Anwendung eines
erfindungsgemäßen Elements.
seıte 13
Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausführungsformen, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf diese speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander und eine Kombination einer Ausführungsform mit der oben angeführten allgemeinen Beschreibung möglich sind. Diese weiteren möglichen Kombinationen müssen nicht explizit erwähnt sein, da diese weiteren möglichen Kombinationen aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes
liegen.
In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung zumindest einer Leiterbahn 1 auf einem durchlässigen Trägermaterial 2 durch das Aufbringen eines leitfähigen
Materials 3 dargestellt. Das Ausgangsmaterial ist ein durchlässiges Trägermaterial 2.
Im ersten Schritt wird das durchlässige Trägermaterial 2 in einer Vorrichtung 4 zum Aufbringen des leitfähigen Materials 3 flächig mit leitfähigem Material 3 versehen. Wie dargestellt kann dabei ein Blatt oder ein Streifen des durchlässigen Trägermaterials 2 in die Vorrichtung 4 eingelegt werden und zuerst von einer Seite her mit dem leitfähigen Material 3 versehen werden, worauf das Trägermaterial 2 gewendet wird und von der anderen Seite her mit dem leitfähigen Material 3 versehen wird. Bevorzugt erfolgt das indem das Trägermaterial 2 einem Dampf 5 oder Plasma ausgesetzt wird, sodass sich eine leitfähige Schicht um die Struktur des durchlässigen
Trägermaterials 2 ablagert.
Im zweiten Schritt wird das leitfähige Material 3 zur Ausbildung einer oder mehrerer Leiterbahnen 1 vom Trägermaterial 2 entfernt. Bevorzugt erfolgt dies indem ein Laserstrahl 6 über
das Trägermaterial 2 geführt wird und das leitfähige Material 3
seıte 14
sublimiert wird. Bevorzugt erfolgt das Entfernen des leitfähigen
Materials 3 durch einseitige Laserbestrahlung.
Das nach diesem Verfahren gefertigte Element weist ein durchlässiges Trägermaterial 2 auf, an welchem zumindest eine Leiterbahn 1 vorliegt. Die Leiterbahn 1 selbst ist dabei auch durchlässig. Das leitfähige Material 3 der Leiterbahn 1 umhüllt
bzw. umschließt dabei die Struktur des Trägermaterials 2.
Fig. 2 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Element, welches unter anderem als Temperatursensor einsetzbar ist. Auf dem durchlässigen Trägermaterial 2 ist eine einzelne Leiterbahn 1 mäanderförmig angeordnet. Dadurch lässt sich die Länge der Leiterbahn 1 bei geringem £flächigen Platzbedarf erhöhen. Durch Messung des Widerstandes bzw. der Widerstandsänderung der Leiterbahn 1 kann auf Änderungen im Umgebungsmedium des Sensors geschlossen werden. Dazu kann eine Spannung zwischen den beiden Enden der Leiterbahn 1 angelegt werden und der resultierende
Stromfluss gemessen werden.
Das Trägermaterial 2 der Fig. 2 ist ein Vlies, welches aus Fasern 7 gebildet ist. Die Fasern 7 können lose gelegt oder versponnen oder verschmolzen sein. Im Bereich der Leiterbahn 1 liegen die Fasern 7 mit einer Ummantelung 8 aus leitfähigem Material 3 vor. Zwischen den Fasern 7 im Bereich des freiliegenden Trägermaterials 2 und im Bereich der Leiterbahn 1 sowie im Grenzbereich zwischen diesen, liegen Öffnungen 9 vor, welche die beiden flächigen Seiten des Elements auf direktem Weg verbinden. Bevorzugt sind die Öffnungen 9 so groß, dass eine unter dem Element vorliegende Oberfläche durch dieses hindurch sichtbar bleibt. Bevorzugt sind die Öffnungen 9 makroskopisch sichtbar. Das Trägermaterial 2 ist bevorzugt durchlässiger und/oder größerporiger als Druckerpapier oder Post-Its. Bevorzugt sind die einzelnen Fasern 7 des Trägermaterials 2 makroskopisch sichtbar. Bevorzugt sind die einzelnen mit metallischem Material überzogenen Fasern 7 im Bereich der
Leiterbahn 1 makroskopisch sichtbar.
seıte 15
Das Trägermaterial 2 ist bevorzugt unbeschichtet bzw.
ungestrichen.
Fig. 3 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Element, bei welchem zwei voneinander getrennte Leiterbahnen 1 in Form einer ersten Elektrode 10 und einer zweiten Elektrode 11 am Trägermaterial 2 angebracht sind. Bis auf die Anordnung und Anzahl der Leiterbahnen 1 entspricht das Element jenem der Fig. 2. Die beiden Elektroden 10, 11 sind beispielsweise jeweils kammförmig ausgeführt und ineinander verschachtelt. Wenn das erfindungsgemäße Element der Fig. 3 in einem Umgebungsmedium eingesetzt, bzw. eingeschlossen ist, werden die Öffnungen 9 im Bereich des unbeschichteten Trägermaterials 2 und in Bereich der Leiterbahnen 1 vom Umgebungsmedium durchdrungen. Das Umgebungsmedium füllt somit die Öffnungen 9 im £flächigen Bereich des Trägermaterials 2 zwischen den Elektroden 10, 11 aus. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 10 und 11 und Messung des resultierenden Stromflusses, kann eine Änderung des Umgebungsmediums zwischen den Elektroden 10, 11 gemessen werden. Dieser Aufbau eignet sich insbesondere zur Messung von
Aushärtungsprozessen im Umgebungsmedium.
Die Fig. 4 veranschaulicht schematisch den allgemeinen Aufbau eines bevorzugten erfindungsgemäßen Elements. Das Element weist eine dünne Schicht aus nichtleitendem Trägermaterial 2 auf, welches Öffnungen 9 aufweist, oder vor Aufbringen der Leiterbahn 1 mit solchen versehen wurde. Die Leiterbahn 1 erstreckt sich deckungsgleich als jeweils ein Weg über je eine der beiden flächigen Seiten der dünnen Schicht, wobei die beiden Wege durch die Öffnungen 9 hindurch miteinander leitend verbunden sind. Wie dargestellt sind Öffnungen 9, welche vollständig im Bereich der Leiterbahn 1 vorliegen, vollständig vom leitfähigen Material 3 umgeben. Stege, bzw. Fasern 7 oder andere Strukturelemente des Trägermaterials 2, welche vollständig im Bereich der Leiterbahn 1l vorliegen, sind vollständig vom leitfähigen Material 3 ummantelt, wie in der Schnittansicht der Fig. 4 veranschaulicht
ist. Die Leiterbahn 1 liegt somit nicht einseitig auf der
17733
seıte 16
Oberfläche des Trägermaterials 2 vor, sondern umhüllt die Struktur des Trägermaterials 2, durch dessen Öffnungen 9 hindurch. Die Leiterbahn 1 umhüllt die in ihrem Bereich liegende durchlässige Struktur des Trägermaterials 2 entlang der gesamten
Länge der Leiterbahn 1.
Bevorzugt liegen die beiden Wege der Leiterbahn 1 an den gegenüberliegenden Flächen des Trägermaterials 2 dabei in einheitlicher Ausprägung vor, bzw. Jeweils durchgängig vom
Beginn bis zum Ende der Leiterbahn 1.
Auch wenn es sich bei Fig. 4 nur um eine schematische Darstellung handelt, kann das Trägermaterial 2 der gegenständlichen Erfindung in dieser oder ähnlicher Form vorliegen. Geeignet wäre somit ein nicht-leitendes an sich undurchlässiges Folien- oder Blattmaterial 12, welches mit Öffnungen 9, beispielsweise in Form von Elektro-, Laser-, oder mechanischen Perforationen versehen wurde und zwar bevor dieses
mit der Leiterbahn 1 versehen wird.
Fig. 5 veranschaulicht die gegenständliche Erfindung an einem Gewebe 13 als Trägermaterial 2. Die Strukturelemente des Gewebes 13 sind dabei im Bereich der Leiterbahn 1 vom leitfähigen Material 3 derart ummantelt, dass die beiden deckungsgleichen Wege der Leiterbahn 1 an den beiden Flächen des Gewebes 13 durch die Öffnungen 9 im Bereich der Leiterbahn 1 zwischen den Strukturelementen hindurch verbunden sind. Die Strukturelemente
können Fasern 7 oder Fäden sein.
Fig. 6 veranschaulicht eine bevorzugte Anwendung eines erfindungsgemäßen Elements als Fugensensor 14, Der Sensor wird in einer Klebe- oder Verleimungsfläche im Klebstoff 16, insbesondere Leim, zwischen zwei Bauteilen 17, 17 platziert, sodass dieser vom Klebstoff 16 durchdrungen wird. Der Klebstoff 16 durchdringt dabei die Öffnungen 9 im Trägermaterial 2
insbesondere auch im Bereich der Leiterbahn 1.
Fig. 7 veranschaulicht eine bevorzugte Anwendung eines
erfindungsgemäßen Elements als Einschlusssensor 18. Der Sensor
seıte 17
wird in einer aushärtenden Masse 20 eingesetzt, sodass dieser beim Aushärten in diese eingeschlossen wird. Die aushärtende Masse 20 wird im Regelfall auf eine Oberfläche 19 aufgetragen. Die aushärtende Masse 20 kann an der Oberfläche 19 anhaften, beispielsweise als Beschichtung. Die Oberfläche 19 kann aber auch eine Gussform oder eine Schalung sein, sodass die Oberfläche 19 und die ausgehärtete Masse 20 voneinander separiert werden können. Der Sensor bzw. Einschlusssensor 18 kann entweder vor dem Auf- oder Einbringen der Masse 20 auf der Oberfläche 19 aufgelegt oder befestigt (beispielsweise geklebt) werden, oder beabstandet zur Oberfläche 19 in die Masse 20 eingesetzt werden. Die Fläche des Sensors ist in Ausführungsvarianten bevorzugt parallel zur Oberfläche 19 und/oder parallel zu einer Oberfläche der aushärtenden Masse 20 ausgerichtet. Die Masse 20, oder zumindest Bestandteile der Masse 20 durchdringen die Öffnungen 9 im Trägermaterial 2
insbesondere auch im Bereich der Leiterbahn 1.
Die Sensoren 14, 18 weisen in den Beispielen der Fig. 6 und 7 Anschlussleitungen 15 auf, welche von den Bauteilen 17 oder der Masse 20 nach außen ragen, um von außen kontaktierbar bzw. auslesbar sein zu können. In einer anderen Ausführungsvariante ist zumindest ein Teil einer Leiterbahn 1 als flächige Spule bzw. RFID-Antenne ausgeführt, um Energie kontaktlos durch ein Bauteil 17 oder die Masse 20 hindurch übertragen zu können. Alternativ kann zusätzlich eine herkömmliche Spule oder eine herkömmliche RFID-Antenne in der Masse 20 oder in oder zwischen den Bauteilen 17 vorgesehen sein, welche elektrisch leitend mit
dem Sensor 14, 18 verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Element kann nicht nur als Sensor, sondern
auch als aktives Bauteil Verwendung finden.
Das erfindungsgemäße Element kann beispielsweise dazu dienen, um dem Klebstoff 16 oder der Masse 20 Wärmeenergie zuzuführen. Dazu weist das erfindungsgemäße Element zumindest eine Leiterbahn 1
auf. Bei Anlegen einer Spannung erwärmt sich die Leiterbahn 1
seıte 18
durch den Stromfluss. Die Aushärtung des Klebstoffes 16 oder der
Masse 20 erfolgt bei höherer Temperatur schneller.
Falls Klebstoffe 16 oder Massen 20 existieren oder entdeckt werden, bei welchen das Aushärten durch einen Stromschlag bzw. das Anlegen von Spannung initiiert wird, könnte das erfindungsgemäße Element auch dazu dienen, um einen Klebstoff 16 oder eine Masse 20 von innen heraus zum Aushärten zu bringen. In ähnlicher Weise kann das Element in einen Brenn- oder Sprengstoff eingesetzt werden, um diesen durch Wärmeentwicklung oder Anlegen einer Spannung von innen heraus zum Brennen oder
Explodieren zu bringen.
Das erfindungsgemäße Element kann aber auch dazu verwendet werden, um Leiterbahnen für andere elektrische Bauteile zur Verfügung zu stellen. In einer Ausführungsvariante können am erfindungsgemäßen Element lichtemittierende Stoffe oder Bauteile, wie Leuchtdioden, oder lichtsensitive Stoffe oder Bauteile, wie Photosensoren, auf- oder angebracht werden, beispielsweise um eine Beleuchtung hinter einer Oberflächenoder Furnierschicht zu schaffen, oder Licht durch eine
Oberflächen- oder Furnierschicht hindurch zu detektieren.
In einer Ausführungsvariante liegen am erfindungsgemäßen Element die Leiterbahnen 1 als Leiterbahnen einer elektronischen Schaltung vor, wobei die elektrischen Bauteile direkt auf dem durchlässigen Trägermaterial 2 vorliegen können, sodass diese gemeinsam eingesetzt, insbesondere in ein Umgebungsmedium eingeschlossen, werden können. In einer Ausführungsvariante liegt das erfindungsgemäße Element mit dem darauf befindlichen Leiterbahnen 1 hinter der Oberfläche einer Masse 20 oder eines Bauteils 17 vor, beispielsweise eines Furniers oder eine Deckschicht, wobei in der Oberfläche Löcher geformt, insbesondere gebohrt, werden, sodass die Leiterbahnen 1 von außen kontaktierbar sind. Dadurch können elektrische Bauteile auf der Oberfläche angebracht werden und durch die Leiterbahnen
1l hinter der Oberfläche verschalten werden.
seıte 19

Claims (24)

Ansprüche
1. Element in Form eines Sensors, eines aktiven elektronischen Bauteils, eines Schalters, einer Schaltung, oder eines elektrischen Leitungspfades zur Integration in ein Umgebungsmedium, welches Element vom Umgebungsmedium durchdringbar ist und ein poröses nicht-leitfähiges Trägermaterial (2) und zumindest eine am Trägermaterial (2) vorliegende Leiterbahn (1) aus leitfähigem Material (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen (9) des
Trägermaterials (2) im Bereich der Leiterbahn (1) offen sind.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Leiterbahn (1) das Material des Trägermaterials (2) umschließt, welches zwischen Öffnungen (9) des Trägermaterials (2) im Bereich der Leiterbahn (1) vorliegt, sodass das Material der Leiterbahn (1) beidseits am
Trägermaterial (2) vorliegt.
3. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leiterbahn (1) mäanderförmig vorliegt oder zumindest zwei Leiterbahnen (1) mit
ineinandergreifenden Kammstrukturen vorliegen.
4. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (2) eine poröse Struktur in Form von Fasern (7) aufweist, wobei die Fasern (7) durch das leitfählige Material (3) der Leiterbahn (1)
umschlossen sind.
5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (2) eine poröse Struktur aufweist und das leitfähige Material (3) in einer Schichtstärke von höchstens 30 % der durchschnittlichen Porengröße des Trägermaterials (2) an der Struktur des
Trägermaterials (2) vorliegt.
6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (2) eine Zellulosefasermatte aus losen Zellulosefasern ist.
seıte 20
7. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Leiterbahn (1) ein
aufgedampftes Metall ist.
8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des Trägermaterials (2)
Q
zumindest 10 % beträgt, bevorzugt zumindest 50 %,
Q
insbesondere zumindest 75 %.
9. Verfahren zur Herstellung zumindest einer Leiterbahn (1) auf einem durchlässigen Trägermaterial (2), dadurch
gekennzeichnet, dass
im ersten Schritt ein leitfähiges Material (3) £flächig auf das durchlässige Trägermaterial (2) aufgebracht wird, wobei das Trägermaterial (2) im Bereich des leitfähigen Materials
(3) weiter durchlässig ist,
im zweiten Schritt das £flächig aufgebrachte leitfähige Material (3) entfernt wird, ohne das Trägermaterial (2) zu zerstören, um zumindest eine Leiterbahn (1) aus dem
leitfähigen Material (3) heraus zu formen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material (3) im ersten Schritt im gasförmigen
Zustand oder als Plasma aufgebracht wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material (3) im zweiten
Schritt durch einen Laserstrahl (6) entfernt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) von einer Seite her auf das Trägermaterial (2) gerichtet wird und dabei das leitfähige Material (3) an
beiden Seiten des Trägermaterials (2) entfernt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element gemäß einem der Ansprüche 1-
8 hergestellt wird.
14. Verwendung eines Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in
einem Umgebungsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass das
seıte 21
Element bei Herstellung oder Verwendung des Umgebungsmediums
von diesem durchdrungen wird.
15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Umgebungsmedium ein aushärtendes Medium ist, das bei Herstellung oder Verwendung in fließfähiger oder breiiger Form vorliegt und das Element durch die Aushärtung im
Umgebungsmedium eingeschlossen wird.
16. Verwendung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Element in einer Klebe- oder Leimfuge von Bauteilen (17) eingesetzt ist und das
Umgebungsmedium ein Klebstoff (16) oder Leim ist.
17. Verwendung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Element unterhalb einer Furnierschicht, unterhalb einer Lage einer Sperrholz- oder Multiplexplatte oder im Material einer Spanplatte oder eines
Faserverbundwerkstoffs vorliegt.
18. Verwendung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Element in ein auf eine Oberfläche (19) aufgetragenes Umgebungsmedium integriert ist, wobei das Element zuvor an der Oberfläche (19) platziert wurde, oder während oder nach dem Auftragen des Umgebungsmediums in diesem platziert wurde und das Umgebungsmedium auf der
Oberfläche (19) aushärtet.
19. Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Umgebungsmedium ausgewählt ist aus: Flüssig aufgetragene
Beschichtung; Farbe; Lack; Beton; Estrich; Putz; Mörtel.
20. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zu einer oder mehreren der folgenden Anwendungen verwendet wird: Liefern von Messwerten zum Aushärteprozess des Umgebungsmediums; Beeinflussen des Aushärteprozesses des Umgebungsmediums; zur Detektion oder Messung von Änderungen im Umgebungsmedium nach Aushärtung des Umgebungsmediums; Detektion oder Messung von Änderungen an oder im Nahbereich einer Oberfläche des Umgebungsmediums nach
seıte 22
Aushärtung des Umgebungsmediums; Leitung eines Stromflusses an eine Oberfläche des Umgebungsmediums oder an ein im Umgebungsmedium eingeschlossenes elektronisches Bauteil; Leitung eines Stromflusses unterhalb der Oberfläche des
ausgehärteten Umgebungsmediums.
24 /33 seıte 23
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