DE102013019839A1

DE102013019839A1 - Passiver Temperatursensor, Betrieb und Herstellung des Sensors

Info

Publication number: DE102013019839A1
Application number: DE102013019839.9A
Authority: DE
Inventors: Joachim Binder; Rolf Jakoby; Christian Mandel; Holger Maune; Martin Schüssler; Mohsen Sazegar
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt; Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt; Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: DE102013019839B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement und einen Temperatursensor mit diesem sensorelent 1 zur passiven Bestimmung der Temperatur unter Nutzung der Temperaturabhängigkeit der Permittivität von wenigstens einem ferroelektrischen Material durch Nutzung der Laufzeitdifferenzen innerhalb des Sensors 1. Das Sensorelement 5 besitzt wenigstens zwei Bereiche 10, 20 mit unterschiedlicher Permittivität, welche so ausgebildet sind, dass sie eine temperaturabhängige Eindringtiefe der Strahlung 50 aufweisen. Der Temperatursensor (1) umfasst außerdem noch wenigstens eine Signalquelle (Sender) 100 elektromagnetischer Strahlung und einen Siginaldetektor 200. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur und ein Betriebsverfahren und ein Herstellungsverfahren für den Sensor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement sowie einen passiven Temperatursensor mit diesem Sensorelement welcher nach dem Prinzip der Laufzeitdifferenzmessung arbeitet.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind nach diesem Prinzip arbeitende Sensoren, etwa für Druck, Feuchte und auch Temperatur bekannt, welche aber nach dem Prinzip der Laufzeitdifferenzmessung von „Surface-Acoustic-Waves (SAWs)” arbeiten. Damit sind passive, fernabfragbare Temperatursensoren möglich, wobei die Sensoren die Temperaturabhängigkeit der Materialausdehnung ausnutzen, auf denen diese montiert sind (Substrat) oder aus denen sie selber gefertigt sind.
Diese haben jedoch den Nachteil, technologisch sehr aufwendig und damit teuer zu sein. Dies kommt speziell zum Tragen, wenn der entsprechende Sensor im Rahmen einer Kleinserie für eine sehr spezielle Anwendung entsteht, was in einer Vielzahl der Fälle zutreffen wird.
Auch sind bereits seit einigen Jahrzehnten passive und berührungslose Temperatursensoren bekannt, welche die Temperaturabhängigkeit von elektrischen Bauteilen auf elektromagnetische Wellen nutzen, wie z. B. für die Messung der Temperatur einer Bremse an einem fahrenden PKW, wie aus Siemens, DE 4006885A1 bekannt.
Bei diesem und auch bei US6208353B1 handelt es sich jedoch induktiv gekoppelte Systeme, mit denen Auslesereichweiten im ein- bis zweistelligen Zentimeterbereich realisiert werden können.
[Aufgabe der Erfindung]
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, und ein Sensorelement bzw. einen entsprechenden Temperatursensor mit diesem Sensorelement, sowie ein Betriebsverfahren und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.
[Lösung der Aufgabe]
Die Lösung dieser Aufgaben ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
Grundlage der Erfindung ist ein Sensorelement (5) zur passiven Bestimmung der Temperatur unter Nutzung der Temperaturabhängigkeit der Permittivität von wenigstens einem ferroelektrischen Material durch Nutzung der Laufzeitdifferenzen innerhalb des Sensorelementes (5). Das Sensorelement (5) umfasst wenigstens zwei Bereiche (10, 20) mit unterschiedlicher Permittivität, welche so ausgebildet sind, dass sie eine temperaturabhängige Eindringtiefe von elektromagnetischer Strahlung (50) aufweisen.
Vorteile des erfindungsgemäßen Sensors basierend auf diesem Sensorelement sind:

• Ein wesentlich kostengünstigerer Aufbau ist möglich, speziell im Falle von Kleinserien oder Einzelanfertigungen, die entsprechenden Technologien skalieren aber i. A. sehr gut, so dass auch bei Massenproduktion eine entsprechende „Ersparnis” zu erwarten ist.
• Die Entwurfsparameter sind so breit gefächert, dass maßgeschneiderte Lösungen einfach und preiswert zu realisieren sind.
• Temperatursensorik bis in Temperaturbereiche über 500°C sind möglich, ohne die anderen Vorteile zu verlieren.
• Temperatursensorik bis in Temperaturbereiche oberhalb 500°C sind ebenfalls möglich, ohne die anderen Vorteile zu verlieren. Dazu müssen die verwendeten Werkstoffe entsprechend ihrer Temperaturstabilität angepasst werden. Eine Auflistung geeigneter Keramiken ist unten gegeben. Durch die Verwendung von z. B. Platin als Elektrodenmaterial lassen sich Elektroden mit höherer Temperaturstabilität realisieren. Im Vergleich zu US 620835381 oder DE 4006885A1 lassen sich mit diesem Konzept höhere Auslesereichweiten von bis zu einigen Metern erreichen.

Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand weiteren Ansprüche.
Das Sensorelement 5 zur passiven Bestimmung der Temperatur unter Nutzung der Temperaturabhängigkeit der Permittivität von wenigstens einem ferroelektrischen Material durch Nutzung der Laufzeitdifferenzen innerhalb des Sensors umfasst wenigstens zwei Bereiche (10, 20) mit unterschiedlicher Permittivität, welche so ausgebildet sind, dass sie eine temperaturabhängige Eindringtiefe der Strahlung 50 aufweisen. Es wird dazu zumindest abschnittsweise durchstrahlt.
Der Temperatursensor 1 zur passiven Bestimmung der Temperatur unter Nutzung der Temperaturabhängigkeit der Permittivität von wenigstens einem ferroelektrischen Material durch Nutzung der Laufzeitdifferenzen innerhalb des Sensors umfasst wenigstens eine Signalquelle (Sender) 100 für elektromagnetische Strahlung, einen Signaldetektor 200 und zumindest ein wenigstens abschnittsweise durchstrahltes Sensorelement 5.
In einer weiteren Ausführungsform besteht das Sensorelement aus ferroelektrischen Materialien, besonders bevorzugt aus Barium-Strontium-Titanat BST. Weitere ferroelektrischen Materialien oder temperaturabhängige Materialien aus der Gruppe der Titanate insbesondere Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Bismuttitanat, Bismut-Lanthan-Titanat, Bismut-Natrium-Titanat, Bismut-Kalium-Titanat, Bismut-Calcium-Titanat, Blei-Zirkonat-Titanat, Lanthantitanatkönnen eingesetzt werden.
Weiterhin können ferroelektrischen Materialien oder temperaturabhängige Materialien aus der Gruppe der Tantalate wie bspw. Strontium-Bismut-Tantalat, Blei-Scandium-Tantalat oder Lithiumtantalat oder aus der Gruppe der Niobate wie bspw. Bismut-Titan-Niobat, Lithiumniobat oder Kaliumniobat oder Mischsysteme aus den oben genannten Materialien bzw. Materialgruppen eingesetzt werden.
Die wenigstens zwei Bereiche des Sensorelementes können aus unterschiedlichen der oben genannten Materialien gefertigt sein.
In einer weiteren ausführungsform umfasst das Sensorelement wenigstens einen Bereich dessen Permittivität temperaturunabhängig ist.
Die relative Permittivität ε_r, auch Permittivitäts- oder Dielektrizitätszahl genannt, eines Mediums ist das Verhältnis seiner Permittivität ε zu der des Vakuums (Elektrische Feldkonstante ε₀).
Sie kennzeichnet die feldschwächenden Effekte der dielektrischen Polarisation des Mediums und hängt eng mit der elektrischen Suszeptibilität χ = ε_r – 1 zusammen. In englischsprachiger Literatur und in Bezug zu der Halbleitertechnik wird die relative Permittivität auch mit κ bzw. mit k wie bei den Low-k-Dielektrika bezeichnet.
Da die Lichtgeschwindigkeit in Medien direkt von der Permittivität abhängt, führen Unterschiede in der Permittivität zu Laufzeitunterschieden:
Das vorgeschlagene neuartige Messverfahren beruht auf der Reflektion Γ einer elektromagnetischen Welle an einem lokalen Impedanzsprung von Z ₀ nach Z.
Ferroelektrische Materialien wie z. B. Barium-Strontium-Titanat weisen beim sog. Curie-Punkt T_C eine stark ausgeprägte Überhöhung der Permittivität ε auf, siehe 1. Der Curie-Punkt lässt sich im Fall von BST kontinuierlich über die Materialzusammensetzung einstellen. Bei Ba(x)Sr(1 – x)TiO3 steigt die Temperatur des Curiepunktes mit steigender Bariumkonzentration an, so dass sich dieser zwischen –170°C und +120°C einfach über einen veränderten Barium bzw. Strontiumanteil einstellen lässt. Bei anderen Kompositen wird äquivalent vorgegangen.
Wird ein solches oder vergleichbare dielektrische Materialien oder eine Kombination verschiedener dielektrischer Materialien nun als Medium für einen Wellenleiter (einschließlich künstlicher Leitungsstrukturen, sog. Metamaterialien oder Artificial Lines) oder für Resonatoranordnungen verwendet, kann durch einen eingebauten Konzentrationsgradienten ein Gradient des Curiepunktes entlang der Struktur erreicht werden. Durch dieses Verhalten ist die Position der maximalen Permittivität von der Substrat-Temperatur abhängig. Ein elektromagnetischer Puls, (siehe Strahlung 50) wird also an einer temperaturabhängigen Position reflektiert in zwar dann wenn der sogenannten Grenzwinkel der Totalreflexion θ_c überschritten wird
wodurch die Laufzeit des Pulses entlang der Leitungsstruktur ebenfalls temperaturabhängig wird, beispielhaft abgebildet in 3. Durch die Messung der Laufzeit des Pulses entlang der Leitung im Empfänger z. B. relativ zu einem Referenzsignal kann die Temperatur des Sensors berechnet werden. Für einen starren, kabelgebundenen Aufbau ist das Referenzsignal nicht notwendig, sondern es kann eine Kalibration verwendet werden. Das Referenzsignal hat jedoch auch dabei Vorteile bezüglich der Kompensation der temperaturabhängigen Eigenschaften der Anschlusskabel.
Dies ermöglicht in einer weiteren Ausführungsform einem neuartigen Verfahren zur Bestimmung der Temperatur. Dieses nutzt die Temperaturabhängigkeit der Signallaufzeit von elektromagnetischer Strahlung innerhalb eines Sensorelements (5) mit wenigstens zwei Bereichen (10, 20) mit unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit der Permittivität in diesen Bereichen zur Bestimmung der Temperatur. Als Sensorelement kann dabei ein in den übrigen Ausführungsformen beschriebenes Material bzw. Kombination von Material dien.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Referenzsignal unter anderem durch das gezielte Einbringen von wenigstens einer temperaturunabhängigen Reflexionsstelle am Anfang/Ende oder verteilt über den Wellenleiter (Medium) erzeugt. Ebenfalls ist die Ausnutzung vorhandener Reflexion im System beispielsweise an der Antenne möglich.
In einer weiteren Ausführungsform wird zur Auswertung das Verfahren Zeitbereichsreflektometrie (TDR) und/oder die Frequenzanalyse des Signals eingesetzt. Für eine genauere Auswertung wird hier neben der Amplitude des Signals beispielsweise auch dessen Phase für die Auswertung verwendet. Hier kommen Standardverfahren der Elektrotechnik wie Zeit-/Frequenzbereichsanalysen zum Einsatz.
In einer weiteren Ausführungsform wird neben oder statt eines Materials/Materialkomposits mit einem Gradienten der Curie-Temperatur, ein diskreter Temperaturschalter mit wenigstens zwei Temperaturstufen, z. B. in Form eines Stufengradienten für das Sensorelement verwendet. Die typische Breite einer Stufe liegt dabei bei 0,1 bis 5 mm, bevorzugt 0,5 bis 1 mm. Möglich sind auch Breiten von 0,3 mm bis 2 mm, 1 mm bis 4 mm und/oder 2 mm bis 5 mm.
In einer weiteren Ausführungsform werden neben Leitungsstrukturen Einzelkomponenten mit den genutzten Eigenschaften verwendet, welche dann in andere Wellenleiter oder Komplettsysteme integriert werden können.
Die gleichen Methoden lassen sich prinzipiell bei ferromagnetischen Materialien oder andere Dielektrika mit ähnlichen Eigenschaften anwenden.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Ein- und Auskopplung Signals (des Pulses) drahtlos durch eine Antenne, (beispielhaft abgebildet in 4) und/oder mit wenigstens einem Wellenleiter (bspw. koaxiales Kabel, Hohlleiter, etc.).
In einer weiteren Ausführungsform werden durch geeignete Materialsynthese eine/mehrere temperaturunabhängige (da z. B. die Curie-Temperatur nicht in den Messbereich fällt) Sektion/en in die Struktur integriert und damit temperaturunabhängige Elemente wie Antennen und Elemente für Referenzinformationen (wie z. B. eine Tag-Identifikation) erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Temperatursensor als drahtloser Temperatursensor ausgeführt, so dass Sender Medium und Detektor nicht durch ein Kabel/eine Leitung miteinander mechanisch verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Temperatursensor als Teil eines drahtgebundenen verteilten Temperatursensor-Arrays ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betrieb des Sensors die folgenden Schritte:

a) Bestimmen notwendiger Kalibrierdaten: Impedanzverlauf der Readerantenne oder der leeren Raumantwort (im drahtlosen Fall); Die Readerantenne dient hier zum auslesen des Signals.
b) Erzeugen und Abstrahlen eines geeigneten Abfragesignals (breitbandiger Puls oder FMCW-Signal);
c) Empfangen des Rückstrahlsignals;
d) Auswerten des Empfangssignals (Deembedden mittels Kalibrationsdaten, Timegating, Frequenzgangkorrektur etc.);
e) Bestimmen von Referenzsignal (optional, falls vorhanden) und Nutzsignal;
f) Bestimmen von absoluter Zeitdifferenz und Phasenlage zwischen Sende- und Empfangssignal bzw. zwischen Referenz- und Nutzsignal;
g) Bestimmen der der Phasenlage oder der Zeitdifferenz entsprechenden Temperatur über eine Zuordnungsfunktion- oder tabelle.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Sensors folgende Schritte

a) Herstellung von keramischen Substraten in Dickschichten oder Dünnschichten mit mindestens zwei unterschiedlichen Zusammensetzungsbereichen oder einem Materialgradienten, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ferroelektrischen Materialien in ihrem Curiepunkt unterscheiden;
h) Herstellung der leitfähigen Strukturen, durch die bekannten Verfahren der Dickschicht- oder Dünnschicht-Herstellung, bevorzugt mittels Inkjet-Printing.

Ausführungsbeispiele
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
Es zeigen:
1 die Temperaturabhängigkeit der relativen Permittivität
2a passiver Temperatur-Sensortag auf einem temperaturabhängigen Substrat mit voll integrierter Antenne,
2b Curie-Temperatur entlang einer Gradienten-Leiterstruktur,
2c Betrag der Impedanz entlang der Leiterstruktur für verschiedene Temperaturen,
3 die Abhängigkeit der maximalen Permittivität von Substrattemperatur und Substratkomposition und daraus folgende Laufzeitunterschiede
4 einen schematischen Sensoraufbau
5 ein drahtloser Temperatursensor-Tag und
6 ein Temperatursensor-»Netzwerk«
1 zeigt Die Temperaturabhängigkeit der relativen Permittivität ε_r (T) 998 einer Ba(x)Sr(1 – x)TiO3-Vollkeramik für verschiedene Mischungsverhältnisse x gemessen bei 1 kHz, Die Curie-Temperatur ändert im Fall von BST kontinuierlich über die Materialzusammensetzung einstellen. Bei Ba(x)Sr(1 – x)TiO3 steigt die Curietemperatur mit steigender Bariumkonzentration an, so dass sich jede Curietemperatur zwischen –170°C und +120°C einfach über einen veränderten Barium bzw. Strontiumanteil einstellen lässt. Bei anderen Kompositen wird äquivalent vorgegangen.
2a zeigt schematisch einen passiven Temperatur-Sensortag auf einem temperaturabhängigen Substrat mit voll integrierter Antenne 8.
2b zeigt eine beispielhafte Realisierung eines Gradienten und davon abhängige Verteilung der Curie-Temperatur entlang der Leiterstruktur,
2c zeigt den Betrag der Impedanz entlang der Leiterstruktur für verschiedene Temperaturen.
3 zeigt im oberen Teil in wie weit die Position der maximalen Permittivität von der Substrat-Temperatur und seiner Zusammensetzung (BaTiO3 801, Ba0.75Sr0.25TiO3 802, Ba0.5Sr0.5TiO3 803, Ba0.25Sr0.75TiO3 804) abhängig ist. Dies bewirkt, dass ein elektromagnetischer Puls an einer temperaturabhängigen Position reflektiert wird, wodurch die Laufzeit des Pulses entlang der Leitungsstruktur ebenfalls temperaturabhängig wird. Dieses Verhalten wird im unteren Teil der Abbildung dargestellt. Durch die Ermittlung der Laufzeit des Pulses entlang der Leitung im Empfänger d. h. der einlaufenden Welle 610 und der reflektierten Welle 611 z. B. relativ zu einem Referenzsignal wird die Temperatur des Sensors berechnet. Diese hängt vom Ort des Impedanzsprungs 612 im Material ab.
4 zeigt schematisch wie der Temperatursensor 1 ausgeführt ist. Von einer Signalquelle 100 bspw. einer Antenne wird elektromagnetische Strahlung 50 der Arbeitsfrequenz von 1 bis 5 GHz bevorzugt 2,5 bis 3,5 GHz mit einer Bandbreite von 0,5 bis 1,5 GH emittiert. Diese Strahlung 50 trifft nun Sensorelement 5. Dieses Sensorelement 5 weist einem Materialgradienten zum aus gradiertem Ba(x)Sr(1 – x)TiO3-Vollkeramikauf. Das heißt es besitzt einen ersten Bereich 10 mit einer Permittivität ε_r1 und einen zweiten Bereich 20 mit einer Permittivität ε_r2. Bei einer Temperatur T₁ wird das Signal an der Grenzfläche der beiden Bereiche reflektiert und hat so eine Laufzeit t₁ bei einer anderen Temperatur T₂ wird es erst nach dem Eintritt in den zweiten Bereich 20 reflektiert. Dies führt zu einer anderen Laufzeit t₂.
Die Laufzeit des reflektierten Signals wird durch einen geeigneten Signaldetektor 200 registriert und mit eine Auswerteelement 300 ausgewertet.
5 zeigt den drahtlosen Temperatursensor-Tag. Es besteht aus einer Antenne (einem UWB-Monopol) und einer Wellenleiterstruktur mit gradiertem Substrat als Medium. Dabei kommt im speziellen Fall ein Stufengradient mit 5 Stufen zum Einsatz. Die Herstellung kann hier beispielsweise durch selektives Sintern von Schichten mit unterschiedlicher Materialkomposition erfolgen, aber auch andere Verfahren oder Kombination von wie schichtweises Aufdampfen oder Ionenimplantation sind möglich. Somit können mindestens 5 Temperaturwerte unterschieden werden, mit entsprechenden Ausleseverfahren (Zeit-/Frequenzbereichsanalyse) ist allerdings eine Steigerung dieses Wertes möglich. Jede einzelne Stufe ist dabei als Kapazität ausgeführt (es handelt sich also um eine sog. »loadedline«-Struktur), was die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle auf der Leitung verringert und so bei identischem Ausleseverfahren die Genauigkeit des Sensors erhöht, bei identischer Genauigkeit erlaubt, das Ausleseverfahren zu vereinfachen und damit die Kosten des Gesamtsystems zu verringern oder die Größe des Tags verringert. Die Kapazitäten sind dabei durch eine Erhöhung der Leitungsbreite auf den einzelnen Stufen realisiert. Auf diese Weise lässt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit auch die Tag-Größe etwa um den Faktor 3 bis 10 verringern. Die genannten Größen gehen alle linear in diese Betrachtung ein (bzw. die Kapazität mit der Quadratwurzel, wobei die Leitungskapazität aufgrund der Anpassung nicht unabhängig betrachtet werden kann), bei gleicher Größe ist also eine um den Faktor 3 bis 10 gesteigerte Sensitivität möglich. Diese wirkt sich bei gleichem Ausleseverfahren entsprechend auf die Genauigkeit aus. Mit einem CRLH-Aufbau ist sogar ein Faktor zwischen 5 und 25 möglich.
Beispielhafte Systemparameter für eine solche Struktur sind eine Arbeitsfrequenz von 1 bis 5 GHz, bevorzugt 2,5 bis 3,5 GHz, mit einer Bandbreite von 0,5 bis 1,5 GHz. Damit liegt der Antennendurchmesser im Bereich von 2 cm bzw. ergibt sich eine Gesamtfläche des Tags von etwa 3 cm × 5 cm.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat des Tags (Medium) keramisch und besteht vollständig aus BST, wobei der Gradient von Bariumtitanat nach Strontiumtitanat verläuft. Die Herstellung ist hier beispielsweise durch selektives Sintern erfolgt, Unterhalb der Antenne ist das Material nicht als Gradient ausgeführt sondern einheitlich Bariumtitanat oder Strontiumtitanat, je nach Aufbau des Gradienten. Dabei ergibt sich ein Messbereich von unter –170°C (Curiepunkt von Strontiumtitanat) bis 120°C (Curiepunkt von Bariumtitanat). Durch Einsatz anderer Materialsysteme kann auch ein anderer Temperaturbereich gewählt werden, es sind dabei Materialsysteme für Temperaturen bis über 1000°C bekannt.
Als Ausleseverfahren kommt TDR (Time Domain Reflectometry) zum Einsatz, wobei zwei Reflexionen ausgewertet werden. Die erste Reflexion ist die der Antenne, welche als Referenzpunkt dient. Die zweite Reflexion ergibt sich an der Stufe, deren Curiepunkt gerade der Substrat- und damit der Umgebungstemperatur entspricht. Liegt die Temperatur zwischen zwei Stufen, wird sich die Art der Reflexion ändern. Das Eingangssignal wird dabei teilweise verzögert und so eine Verbreiterung des Eingangspulses erzeugt. Durch geschicktes Auswerten lassen sich damit Zwischenwerte ermitteln, eine Zuordnung zu einer Stufe des Gradienten ist auf jeden Fall möglich, so dass es keine Temperaturbereiche im Arbeitsbereich des Sensors gibt, in denen keine Messung stattfinden kann. Als Parameter zum Steuern der möglichen Messauflösung der Permittivitätsüberhöhung am Curiepunkt kann dabei das Materialgefüge selbst dienen, so lassen sich mit Vollkeramiken sehr scharfe »Peaks« erzeugen, Dickschichten haben dagegen eher moderat ausgestaltete Peaks. Das angemeldete Verfahren beruht auf der Temperaturabhängigkeit der Permittivität, wobei insbesondere Materialien zum Einsatz kommen, bei denen die Permittivität am Curiepunkt mindesten doppelt so groß ist als 10 K vom Curiepunkt entfernt. Die Sensitivität des Sensors lässt sich durch die Wahl geeigneter Materialien durch die Flankensteilheit der temperaturabhängigen Permittivität einstellen, so ist z. B. ein Material dessen Permittivität am Curiepunkt um mindestens den Faktor 10 größer als 10 K vom Curiepunkt entfernt ist, sensitiver als System, bei dem die Permittivität am Curiepunkt doppelt so groß ist als 10 K vom Curiepunkt entfernt ist. Das Auslesen kann auf physikalischer Ebene dabei sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich stattfinden, da eine Transformation zwischen beiden Bereichen ohne Informationsverlust möglich ist. Eine einfache Möglichkeit, einen »Reader« im Frequenzbereich aufzubauen, wäre, in Anlehnung an FMCW-Radar-Verfahren mit Frequenzsweeps zu arbeiten.
6 zeigt beispielhaft ein verteiltes Temperatursensor-»Netzwerk«. Neben dem gezeigten Szenario der Temperaturüberwachung an mehreren Stellen in einem Tunnel eignet sich das Verfahren speziell auch für den Einsatz in Hochtemperaturumgebungen, etwa in Öfen oder Brennkammern mit über 500°C insbesondere 500 bis 1000°C, da auf Materialien zurückgegriffen werden kann, die Temperaturstabil sind. Sowohl die Wellenleiter außerhalb des sensitiven Bereichs 6 als auch die als Sensor dienenden sensitive Wellenleiterabschnitte (2, 3, 4) lassen sich dabei beispielsweise vollständig als dielektrische Wellenleiter auf Basis keramischer Werkstoffe ausführen.
Dieses Temperatursensor-»Netzwerk«. Kann beispielsweise den Brand 500 eines Fahrzeugs 501 und die damit verbundene Temperatursteigerung registrieren.
Die Werkstoff und Schichtdicken des temperaturabhängigen Mediums können dabei identisch zu den in 1 bis 5 gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sein. Die Welle bleibt allerdings vollständig innerhalb einer Wellenleiterstruktur, es findet keine freie Ausbreitung im Raum statt.
Die gesamte Wellenleiterstruktur besteht dabei aus Abschnitten austemperatursensitiven Medien 1, 2, 3 (den eigentlichen Sensorelementen) und temperaturunabhängigen Wellenleitern 6. Die sensitiven Abschnitte 1, 2, 3 unterscheiden sich dabei von den nicht-sensitiven Abschnitten 6 durch das Einbringen des Materialgradienten. Dabei darf an jedem sensitiven Abschnitt nur ein Teil der Gesamtenergie des Auslesesignals (bzw. der Signalleistung bei kontinuierlicher Anregung) zurückgestreut werden. Um für jede Sektion den gleichen rückgestrahlten Anteil zu erhalten, was eine gleichbleibende Empfindlichkeit/Genauigkeit ermöglicht, ist die anteilige Reflexion der einzelnen Messstelle unterschiedlich.
In der gezeigten Ausführung besitzt das System z. B. drei dieser Temperatursensoren:
Einen ersten Sensor 2, dieser ist innerhalb des Wellenleiters 6 montiert, seine gesamte Reflexion ist fest auf einen bestimmten Wert von z. B. 33% eingestellt, im Falle der Implementierung als einfacher Temperaturschalter sind. auch 100% möglich Einen zweiten Sensor 3, dieser ist innerhalb des Wellenleiters 6 montiert, seine gesamte Reflexion ist fest auf einen bestimmten Wert von z. B. 50% eingestellt, im Falle der Implementierung als einfacher Temperaturschalter sind auch 100% möglich und einen Dritten Sensor 4, dieser ist innerhalb des Wellenleiters 6 montiert, seine gesamte Reflexion ist fest auf einen bestimmten Wert 100% eingestellt.
Im Beispiel reflektiert der erste sensitive Sensor 2 ein Drittel der Gesamtenergie, der zweite Sensor 3 die Hälfte und der dritte Sensor 4 den gesamten Rest der Energie im Wellenleiter. Damit sind die absoluten Reflexionsbeträge gleich. Dass auch das rücklaufende Signal ab der zweiten Reflexionsstelle wieder von den vorangegangenen Reflexionsstellen beeinflusst wird, kann zusätzlich ausgeglichen werden.
Des Weiteren kann das System noch einen Wellensumpf 201, nur nötig bei Implementierung als einfaches Temperaturschaltersystem, damit im Falle keiner Temperaturabweichung durchlaufende Wellen nicht am Leitungsende fälschlich reflektiert werden und damit einen Fehlalarm auslösen.
Der Signalweg 601 umfasst den Weg des vom RF-Frontend 401 emittierten Hochfrequenz-Signals
Der Signalweg 602 umfasst den Weg vom ersten Sensor reflektiertes Hochfrequenzsignal mit 1/3 der gesamten Signalenergie. Er entfällt im Falle der Implementierung als einfacher Temperaturschalter.
Der Signalweg 603 umfasst den Weg des vom ersten Sensor nicht reflektierten Restsignals
Der Signalweg 604 umfasst den Weg des vom zweiten Sensor reflektierten Signals mit 1/3 der gesamten Signalenergie, durch die detektierte Temperaturerhöhung. Er entfällt im Falle der Implementierung als einfacher Temperaturschalter ebenfalls.
Der Signalweg 605 umfasst den Weg des vom zweiten Sensor nicht reflektierten Restsignals
Der Signalweg 606 umfasst den Weg des vom dritten Sensor reflektierten Signals mit 1/3 der gesamten Signalenergie. Er entfällt im Falle der Implementierung als einfacher Temperaturschalter.
Weiterhin kann noch eine Signalisierungseinrichtung 700 im Tunnel und/oder eine Signalisierungseinrichtung 701 außerhalb des Tunnels zur Warnung der Fahrzeuge vorhanden sein, welches vom Überwachungssystem ausgelöst wird.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Temperatursensor
2: Erster Sensor
3: Zweiter Sensor
4: Dritter Sensor
5: Medium/Sensorelement
6: Wellenleiter,
7: Verzögerungsleitung
8: Antenne
9: Puls
10: Bereich mit Materialgradienten
11: Materialgradient
50: Signal
100: Signalquelle
200: Signaldetektor
201: Wellensumpf
300: Auswerteelement
400: Zentrale Datenerfassung
401: RF-Frontend
500: Brand
501: Brennendes Fahrzeug
601, 602, 603, 604, 605, 606: Signalweg
610: einfallende Welle
611: reflektierte Welle
612: Reflexion an Impedanzsprung
700, 701: Signalisierungseinrichtung
800: Materialzusammensetzung
801: BaTiO3
802: Ba0.75Sr0.25TiO3
803: Ba0.5Sr0.5TiO3
804: Ba0.25Sr0.75TiO3
805: SrTiO3
900: Curie-Temperatur
901: Mischungsverhältnis x
902: Position
997: Impedanz (Betrag)
998: Relative Permittivität
999: Temperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4006885 A1 [0004, 0009]
US 6208353 B1 [0005]
US 620835381 [0009]

Claims

Sensorelement (5) zur passiven Bestimmung der Temperatur unter Nutzung der Temperaturabhängigkeit der Permittivität von wenigstens einem ferroelektrischen Material durch Nutzung der Laufzeitdifferenzen innerhalb des Sensorelementes (5), gekennzeichnet, dass das Sensorelement (5) wenigstens zwei Bereiche (10, 20) mit unterschiedlicher Permittivität aufweist, welche so ausgebildet sind, dass sie eine temperaturabhängige Eindringtiefe von elektromagnetischer Strahlung (50) aufweisen.
Sensorelement (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens einen Bereich (10) aus ferroelektrischen Material aus der Gruppe der Titanate, Tantalate und/oder Niobate aufweist.
Sensorelement (5) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens einen Bereich (10, 20) umfasst, dessen Permittivität temperaturunabhängig ist.
Verfahren zur Bestimmung der Temperatur dadurch gekennzeichnet, dass es die Temperaturabhängigkeit der Signallaufzeit von elektromagnetischer Strahlung innerhalb eines Sensorelements (5) gemäß Anspruch 1 mit wenigstens zwei Bereichen (10, 20) mit unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit der Permittivität in diesen Bereichen zur Bestimmung der Temperatur nutzt.
Temperatursensor (1) zur passiven Bestimmung der Temperatur unter Nutzung der Temperaturabhängigkeit der Permittivität von wenigstens einem ferroelektrischen Material durch Nutzung der Laufzeitdifferenzen innerhalb des Sensors (1), aufweisend wenigstens eine Signalquelle (Sender) (100) elektromagnetischer Strahlung, einen Signaldetektor (200) dadurch gekennzeichnet, dass er ein zumindest abschnittsweise durchstrahltes Sensorelement (5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweist.
Temperatursensor (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor als drahtloser Temperatursensor ausgebildet ist.
Temperatursensor (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor als Teil eines drahtgebundenen verteilten Temperatursensor-Arrays ausgebildet ist.
Verfahren zur Bestimmung der Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Sensor (1) gemäß einem der vorigen Ansprüche nutzt.
Verfahren zum Betrieb eines Sensors (1) nach einem der vorigen Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: i) Bestimmen notwendiger Kalibrierdaten: Impedanzverlauf der Readerantenne oder der leeren Raumantwort (im drahtlosen Fall); j) Erzeugen und Abstrahlen eines geeigneten Abfragesignals (breitbandiger Puls oder FMCW-Signal); k) Empfangen des Rückstrahlsignals; l) Auswerten des Empfangssignals (Deembedden mittels Kalibrationsdaten, Timegating, Frequenzgangkorrektur etc.); m) Bestimmen von Referenzsignal (optional, falls vorhanden) und Nutzsignal; n) Bestimmen von absoluter Zeitdifferenz und Phasenlage zwischen Sende- und Empfangssignal bzw. zwischen Referenz- und Nutzsignal; o) Bestimmen der Phasenlage oder/und der Zeitdifferenz entsprechenden Temperatur über eine Zuordnungsfunktion- oder tabelle.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors (1) nach einem der vorigen Ansprüche, umfassend folgende Schritte a. Herstellung von keramischen Substraten in Dickschichten oder Dünnschichten mit mindestens zwei unterschiedlichen Zusammensetzungsbereichen oder einem Materialgradienten, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ferroelektrischen Materialien in ihrem Curiepunkt unterscheiden; b. Herstellung der leitfähigen Strukturen, durch Verfahren der Dickschicht- oder Dünnschicht-Herstellung, bevorzugt mittels Inkjet-Printing.