DE102013103127B3

DE102013103127B3 - Feuchtigkeitssensorelement und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE102013103127B3
Application number: DE201310103127
Authority: DE
Inventors: Alexander Türke; Sebastian Sauer
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2033-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feuchtigkeitssensorelement und Verfahren zum Herstellen desselben, wobei das Feuchtigkeitssensorelement aufweist: ein Salzdepot mit einem im festen Aggregatzustand vorliegenden deliqueszenten Salz, das sich bei Vorliegen seiner Deliqueszenzfeuchtigkeit unter Ausbildung einer Salzlösung verflüssigt; und ein Sintermaterialdepot mit einem Sintermaterial, das bei Kontakt mit der Salzlösung unter irreversibler Änderung seiner elektrischen Leitfähigkeit chemisch gesintert wird; wobei das Salzdepot und das Sintermaterialdepot derart angeordnet sind, dass die bei Vorliegen der Deliqueszenzfeuchtigkeit gebildete Salzlösung das Sintermaterial kontaktiert und somit die chemische Sinterung des Sintermaterials auslöst, wobei ein Überschreiten des durch die Deliqueszenzfeuchtigkeit des Salzes gegebenen Feuchtigkeitsgrenzwertes mittels der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Sintermaterials erfassbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feuchtigkeitssensorelement zum Erfassen des Überschreitens eines Grenzwertes einer relativen Luftfeuchtigkeit, z.B. zum Nachweis des Eindringens von Feuchtigkeit in ein abgegrenztes Volumen, und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Feuchtigkeitssensorelements.
Feuchtigkeitsempfindliche Güter (wie z.B. elektronische Bauteile, Lebensmittel, Medikamente und Chemikalien) sind vor Feuchtigkeit zu schützen, wobei z.B. für ein jeweiliges Produkt spezifische Vorgaben hinsichtlich einzuhaltender Grenzwerte der relativen Luftfeuchte und der maximalen Expositionszeiten vorgegeben sein können. Die Einhaltung solcher Vorgaben kann z.B. durch Überwachen der Luftfeuchtigkeit in der Umgebung solcher feuchtigkeitsempfindlicher Güter mittels eines Feuchtigkeitssensors erfolgen. Herkömmliche Feuchtigkeitsüberwachungssysteme beruhen z.B. auf komplexen Datenloggersystemen oder auf optischen Feuchtigkeitsindikatoren. Technische Datenloggersysteme zur Feuchteüberwachung beruhen auf komplexen Datenloggersystemen unter Nutzung bekannter elektrischer Feuchtesensorprinzipien (gravimetrisch, resistiv, kapazitiv, optisch) oder auf optischen, irreversiblen Feuchtigkeitsindikatoren.
Zur Feuchtigkeitsüberwachung vorgesehene Datenloggersysteme weisen z.B. einen auf einem kapazitiven, resistiven oder anderweitigen Wirkprinzip beruhenden reversiblen Feuchtigkeitssensor und eine Auswerteeinheit mit Kommunikationsschnittstellen auf. Als Beispiel beschreibt die WO 2012/140 310 A1 ein Datenloggersystem zum Erfassen und Ausgeben eines Feuchtigkeitswertes, wobei der Feuchtigkeitswert kapazitiv erfasst wird. Zum Erfassen, Speichern und Ausgeben eines Feuchtigkeitswertes müssen solche Datenloggersysteme eine Energieversorgungseinheit (z.B. eine Batterie) zum Versorgen des Sensorsystems mit elektrischer Energie aufweisen. Wenn keine kontinuierliche bzw. permanente Energieversorgung vorhanden ist, ist allenfalls der jeweils aktuell vorliegende Feuchtigkeitswert abfragbar; wobei jedoch keine Aussage darüber möglich ist, ob in der Vergangenheit ein vorgegebener Feuchtigkeitsgrenzwert überschritten wurde oder nicht. Zudem ist die mögliche Überwachungsdauer zeitlich begrenzt (Lebensdauer).
Feuchtigkeitssensoren basierend auf optischen Feuchtigkeitsindikatoren führen bei Überschreiten eines vorgegebenen Luftfeuchtigkeitsgrenzwertes einen reversiblen oder irreversiblen Farbwechsel durch. Solche optischen Feuchtigkeitsindikatoren weisen z.B. Farbstoffe auf, die in Salzkristallen eingelagert sind, die sich bei Überschreitung eines vorgegebenen Luftfeuchtigkeitsgrenzwertes verflüssigen, wodurch es zu einer Verfärbung kommt. So ist z.B. die Verwendung von mit Kobaltchlorid versetztem Silicagel als Feuchtigkeitsindikator bekannt, wobei sich ein Eintreten von Feuchtigkeit durch einen Farbwechsel von blau zu violett bemerkbar macht.
Ein optischer, irreversibler Feuchtigkeitsindikator ist in DE 10 2009 052037 A1 beschrieben. Der Feuchteindikator besteht aus einer deliqueszenten Substanz, d.h., einer Substanz, die bei Überschreiten ihres (stoffspezifischen) Deliqueszenzpunktes durch Absorption großer Mengen an Wasserdampf eine Lösung bildet, und mindestens einem Metall. Nach Überschreiten des Deliqueszenzpunktes bei einer definierten relativen Luftfeuchtigkeit ändert der Feuchtigkeitsindikator aufgrund einer Reaktion der Lösung mit dem Metall irreversibel seine Farbe.
Zur Auswertung erfordern solche optischen Feuchtigkeitsindikatoren einen optischen Zugang bzw. Sichtzugang zu dem Indikator, wobei z.B. eine optische Sichtkontrolle durch einen menschlichen Beobachter erfolgt. Eine Integration solcher optischer Feuchtigkeitsindikatoren in elektrische Auswerteschaltungen ist, bedingt durch die optische Auswertung, nur mit relativ hohem technischen Aufwand möglich.
Durch die Erfindung wird ein unkompliziert aufgebautes Feuchtigkeitssensorelement bereitgestellt, das auf einfache Art und Weise elektrisch auslesbar ist und mittels dessen auch ohne kontinuierliche bzw. permanente Energiezufuhr ein kontinuierliches Überwachen des Überschreitens eines vorgegebenen Feuchtigkeitsgrenzwertes ermöglicht ist. Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Feuchtigkeitssensorelements bereitgestellt.
Die Erfindung macht sich dazu die für sich genommen bekannten Effekte des Deliqueszenzverhaltens von Salzen und des chemischen Sinterns zunutze.
Unter einem deliqueszenten Salz versteht man ein Salz, das ab einer für dieses Salz charakteristischen relativen Luftfeuchtigkeit bzw. Umgebungsfeuchtigkeit, der sogenannten Deliqueszenzfeuchtigkeit, Wasserdampf aus der Umgebungsatmosphäre aufnimmt und in eine (flüssige) Lösung übergeht. Die Deliqueszenzfeuchtigkeit beschreibt das Phasengleichgewicht zwischen dem Salz im festen, kristallinen Zustand und der (flüssigen) Salzlösung. Das Deliqueszenzverhalten von Salzen beschreibt also einen Phasenumwandlungsprozess, wobei bei Erreichen oder Überschreiten einer salzspezifischen relativen Luft- bzw. Umgebungsfeuchte eine spontane Verflüssigung des Salzes erfolgt und sich die entstehende Salzlösung mit weiter zunehmender Luftfeuchtigkeit durch weitere Wasseraufnahme verdünnt. Bei abnehmender Luftfeuchtigkeit gibt die Salzlösung das Wasser durch Verdunstung wieder ab und geht bei Unterschreiten einer für das jeweilige Salz charakteristischen relativen Luftfeuchtigkeit, der sogenannten Effloreszenzfeuchtigkeit, in den festen, kristallinen Zustand über; wobei die Effloreszenzfeuchtigkeit geringer sein kann als die Deliqueszenzfeuchtigkeit (d.h. es kann eine Hysterese von Deliqueszenz und Effloreszenz vorliegen). Ein Großteil der anorganischen sowie unterschiedliche organische Salze weisen deliqueszentes Verhalten auf.
Beim Sintern wird allgemein ein feinkörniges Material, z.B. ein Metallpulver, bereitgestellt und z.B. durch Verdichten, Erwärmen oder sonstige Methoden in einer vorgegebenen Form verfestigt. Dabei wird ausgenutzt, dass feinkörnige Materialien bzw. Pulver eine große Oberfläche und daher auch eine große Oberflächenenergie aufweisen, jedes System jedoch bestrebt ist, einen Zustand möglichst geringer Energie einzunehmen. Beim Sintern vergrößern sich die einzelnen Körner des Ausgangsmaterials bzw. agglomerieren, wodurch die Oberflächenenergie des Gesamtsystems sinkt. Da zugleich der Anteil abgesättigter chemischer Bindungen steigt, verfestigt sich das Material zudem in der vorgegebenen Form.
Beim chemischen Sintern wird die Agglomeration der Körner eines Sinterausgangsmaterials durch eine chemische Reaktion ausgelöst, z.B. durch Zugabe eines entsprechenden Reaktionspartners zu dem Sinterausgangsmaterial. So ist es z.B. bekannt, elektrisch leitfähige Strukturen mittels Druckens zu erzeugen, indem anorganische Metall-Nanopartikel-Tinten auf einen Träger aufgedruckt werden, z.B. mittels Tintenstrahldruckens (siehe z.B.: A. Kamyshny, J. Steinke and S. Magdassi, „Metal-based Inkjet Inks for Printed Electronics“, The Open Applied Physics Journal, 2011, 4, S. 19ff). Eine solche Metall-Nanopartikel-Tinte ist eine flüssige Tinte, die Metall-Nanopartikel bzw. feine Metallpartikel enthält (z.B. Silber-, Gold- oder Kupferpartikel). Um die Fließfähigkeit solcher Tinten während der Aufbewahrung und während des Druckens zu gewährleisten und die frühzeitige Bildung von Konglomeraten bzw. Aggregaten zu verhindern, sind die Metallpartikel in der Tinte von einem Ligandenmaterial umgeben, das als chemischer Stabilisator wirkt und ein Agglomerieren der Metallpartikel verhindert. Indem mittels des Liganden ein Agglomerieren der Metallpartikel verhindert ist, weisen die aufgedruckten Strukturen zunächst lediglich eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Um die elektrische Leitfähigkeit der aufgedruckten Strukturen zu erhöhen und in technisch interessante Bereiche zu bringen, werden die aufgedruckten Strukturen einem Sinterprozess unterzogen, wobei die als Stabilisator fungierenden Liganden entfernt werden und nunmehr – getrieben durch das Bestreben zum Minimieren der Oberflächenenergie – eine Agglomeration der Metallpartikel unter Ausbildung großflächiger zusammenhängender Metallabschnitte erfolgt, die als elektrische Leitungsstrukturen fungieren. Das Sintern kann z.B. durch einen chemischen Sinterprozess erfolgen, wobei eine chemische Reaktion zur Ablösung der Liganden von den Metallpartikeln und somit zur Ausbildung großflächiger leitfähiger Metallabschnitte führt. Das chemische Sintern kann bei Raumtemperatur und ohne zusätzliche Erwärmung durchgeführt werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Feuchtigkeitssensorelement bereitgestellt, das mindestens ein Gebiet bzw. Depot (im Folgenden auch als „Salzdepot“ bezeichnet) mit einem im festen Aggregatzustand vorliegenden deliqueszenten Salz aufweist. Das Salz verflüssigt sich somit bei Vorliegen seiner Deliqueszenzfeuchtigkeit – d.h., wenn die relative Luftfeuchtigkeit, der das Sensorelement und somit das Salzdepot ausgesetzt ist, die Deliqueszenzfeuchtigkeit des Salzes erreicht – unter Ausbildung einer Salzlösung. Ein Salzdepot kann z.B. aus einem vorgegebenen Volumen des jeweiligen Salzes bestehen.
Das Feuchtigkeitssensorelement weist zudem mindestens ein Gebiet bzw. Depot (im Folgenden auch als „Sintermaterialdepot“ bezeichnet) mit einem Material (im Folgenden auch als „Sintermaterial“ bezeichnet, wobei das Sintermaterial vor dem Sintern speziell auch als „Sinterausgangsmaterial“ bezeichnet wird) auf, das bei Kontakt mit der Salzlösung unter irreversibler Änderung seiner elektrischen Leitfähigkeit chemisch gesintert wird. D.h., das Sinterausgangsmaterial ist derart gewählt und beschaffen, dass es bei Kontakt mit der Salzlösung einen chemischen Sinterprozess durchläuft, wobei der Sinterprozess mittels des Kontakts mit der Salzlösung ausgelöst wird, und dass die elektrische Leitfähigkeit der durch das Gebiet des Sintermaterialdepots vorgegebenen Struktur nach dem Sintern messbar anders (d.h. kleiner oder größer) ist als vor dem Sintern. Ein Sintermaterialdepot kann z.B. aus einem vorgegebenen Volumen des Sintermaterials bestehen.
Das Salzdepot und das Sintermaterialdepot sind derart ausgebildet und angeordnet, dass die bei Vorliegen der Deliqueszenzfeuchtigkeit gebildete Salzlösung das Sintermaterial kontaktiert, d.h. zu dem Sintermaterialdepot gelangen kann und mit demselben in Kontakt treten kann. Sobald die Salzlösung das Sintermaterial kontaktiert, wird die chemische Sinterung des Sintermaterials ausgelöst, wobei sich die elektrische Leitfähigkeit bzw. der elektrische Widerstand des Sintermaterials und der durch das Gebiet des Sintermaterialdepots definierten Struktur ändert. Diese Änderung der elektrischen Leitfähigkeit kann erfasst werden (z.B. unmittelbar durch Erfassen des elektrischen Widerstandes oder mittelbar durch Erfassen einer mit der elektrischen Leitfähigkeit variierenden elektrischen Eigenschaft wie z.B. einer Induktivität oder Kapazität), wodurch ein Überschreiten des durch die Deliqueszenzfeuchtigkeit des Salzes gegebenen Feuchtigkeitsgrenzwertes erfassbar ist. Das Feuchtigkeitssensorelement kann als Sensorelementarzelle bzw. als Messgrößenaufnehmer eines Feuchtigkeitssensors fungieren.
Indem mittels der Salzlösung, die bei Überschreiten der Deliqueszenzfeuchte des Salzes entsteht, eine irreversible Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Sintermaterialdepots hervorgerufen wird, ist die kontinuierliche Überwachung der Einhaltung des durch die Deliqueszenzfeuchtigkeit vorgegebenen relativen Luftfeuchtigkeitsgrenzwertes ermöglicht; wobei weder zum Erfassen des Überschreitens dieses Feuchtigkeitsgrenzwertes elektrische Energie nötig ist (da das Auslösen des Sinterns chemisch mittels der Salzlösung erfolgt) noch zum Abspeichern eines erfassten Überschreitens dieses Feuchtigkeitsgrenzwertes elektrische Energie benötigt wird (da nach erstmaligem Überschreiten des vorgegebenen Feuchtigkeitsgrenzwertes aufgrund der Irreversibilität des Sinterprozesses das Sintermaterialdepot permanent in dem gesinterten Zustand verbleibt). Das Feuchtigkeitssensorelement kann also insbesondere ohne eine zum Bereitstellen elektrischer Energie vorgesehene Energiequelle ausgeführt sein.
Des Weiteren besteht keine Notwendigkeit zur Speicherung großer Datenmengen (wie etwa Zeitstempel, Luftfeuchtigkeitswerte oder Kalibrierkonstanten), da der durch die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit definierte Zustandswechsel einen intrinsischen Gedächtniseffekt des Feuchtigkeitssensorelements ermöglicht. Das Sintermaterialdepot kann sozusagen selbst als Datenspeicher bzw. als ein Informationsbit fungieren, wobei dieser Datenspeicher zwei Informationszustände einnehmen kann (wobei der erste Informationszustand durch die elektrische Leitfähigkeit des ungesinterten Sintermaterialdepots und der zweite Informationszustand durch die elektrische Leitfähigkeit des gesinterten Sintermaterialdepots definiert ist). Das Feuchtigkeitssensorelement kann also insbesondere ohne einen separat zum Speichern von Daten vorgesehenen Datenspeicher ausgebildet sein, sodass ein unkomplizierter Aufbau ermöglicht ist.
Zudem kann die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Sintermaterialdepots je nach geometrischer Ausgestaltung desselben auf einfache, dem Fachmann bekannte Art und Weise erfasst werden – z.B. indem eine mit der Leitfähigkeitsänderung einhergehende Widerstands-, Kapazitäts- oder Induktivitätsänderung erfasst wird – sodass ein elektrisches Auslesen (entweder kontaktierend oder drahtlos bzw. berührungslos) auf einfache Weise ermöglicht ist. Insbesondere ist kein kontinuierliches Auslesen des Feuchtigkeitssensorelements erforderlich, sondern aufgrund der Irreversibilität der Zustandsänderung genügt ein punktuelles bzw. zeitdiskretes Auslesen des Feuchtigkeitssensorelements zu vorgegebenen Zeitpunkten, um auch ein in der Vergangenheit erfolgtes Überschreiten des vorgegebenen Feuchtigkeitsgrenzwertes festzustellen.
Aufgrund der beim Sintern erfolgenden Leitfähigkeitsänderung kann ein solches Feuchtigkeitssensorelement z.B. als schaltendes Element oder akkumulierendes Wandlerelement in elektrischen Schaltungen oder (z.B. drahtlosen und/oder passiven) Sensoren eingesetzt werden.
Das Feuchtigkeitssensorelement kann z.B. derart ausgebildet bzw. aufgebaut sein, dass ein Salzdepot und ein Sensormaterialdepot in direktem Kontakt zueinander angeordnet sind. In diesem Fall erfolgt, wenn die relative Luftfeuchtigkeit in der Umgebung des Sensorelements bzw. des Salzdepots die Deliqueszenzfeuchtigkeit des Salzes erreicht oder überschreitet, ein sofortiges Kontaktieren des Sintermaterialdepots durch die Salzlösung, sodass ein sofortiges Erfassen eines Überschreitens des vorgegebenen Feuchtigkeitsgrenzwertes (im Wesentlichen) ohne zeitliche Verzögerung ermöglicht ist.
Der mittels des Sensorelements überwachte Feuchtigkeitsgrenzwert kann durch entsprechende Wahl des Salzes festgelegt werden, da unterschiedliche Salze unterschiedliche Deliqueszenzfeuchtigkeiten aufweisen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Feuchtigkeitssensorelement mehrere Salzdepots und mehrere Sintermaterialdepots aufweist, die jeweils wie oben beschrieben derart angeordnet sind, dass die bei Überschreiten der Deliqueszenzfeuchte entstehende Salzlösung eines Salzdepots ein zugehöriges Sintermaterialdepot kontaktiert. Dabei können alle Salzdepots ein und dasselbe Salz aufweisen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Feuchtigkeitssensorelement mehrere Salzdepots mit unterschiedlichen Salzen mit jeweils unterschiedlichen Deliqueszenzfeuchtigkeiten sowie entsprechend zugehörige Sintermaterialdepots aufweist, wodurch z.B. ein Erfassen des Überschreitens mehrerer unterschiedlicher Feuchtigkeitsgrenzwerte ermöglicht ist.
Das Salz eines Salzdepots des Sensorelements kann ein reines Salz oder eine Salzmischung, d.h. eine Mischung unterschiedlicher deliqueszenter Salze, sein. Das Salz eines Salzdepots kann z.B. ein Halogensalz (z.B. NaCl, KCl, FeCl₃, CuCl₂, NH₄Cl, LiCl oder ZnCl₂) oder eine Mischung unterschiedlicher Halogensalze sein.
Das Sintermaterial bzw. Sinterausgangsmaterial kann z.B. ein Material sein, das Metallpartikel (z.B. Metall-Nanopartikel) enthält, die von einer elektrisch passivierenden Hülle aus Liganden umgeben sind, wobei die Liganden während des chemischen Sinterns mittels einer chemischen Reaktion mit der Salzlösung von den Metallpartikeln entfernt werden, wodurch – wie oben beschrieben – eine Agglomeration der Metallpartikel ausgelöst wird. Die Metallpartikel können z.B. Gold-, Kupfer oder Silberpartikel sein. Die Liganden bestehen aus einem Material mit einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit als die Metallpartikel (z.B. aus einem elektrisch isolierenden Material), sodass in dem Sintermaterialdepot im ungesinterten Zustand die einzelnen Metallpartikel mittels der passivierenden Ligandenhüllen räumlich voneinander separiert vorliegen und das Sintermaterialdepot somit eine entsprechend geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Bei Kontakt mit der Salzlösung durchläuft das Sintermaterial einen chemischen Sinterprozess, infolgedessen die passivierenden Liganden von den Metallpartikeln entfernt werden und eine Agglomeration der Metallpartikel unter Ausbildung eines zusammenhängenden Metallabschnitts bzw. Metallgebiets erfolgt, wobei die durch die räumliche Ausdehnung des Sintermaterialdepots definierte Struktur in einen Zustand mit einer elektrischen Leitfähigkeit übergeht, die (wesentlich) größer ist als die elektrische Leitfähigkeit des ungesinterten Sintermaterialdepots. Gemäß dieser Ausführung wird das Sintermaterial somit bei Kontakt mit der Salzlösung unter irreversibler Erhöhung seiner elektrischen Leitfähigkeit chemisch gesintert.
Das Sintermaterial kann z.B. eine anorganische Metall-Nanopartikel-Tinte sein, d.h. eine zum Drucken elektrisch leitfähiger Strukturen vorgesehene Tinte, die Metall-Nanopartikel enthält, wobei diese Metall-Nanopartikel wie oben beschrieben von als Stabilisator wirkenden Liganden umgeben sind. Während der chemischen Sinterung werden die Liganden von den Metall-Nanopartikeln entfernt und es erfolgt eine Agglomeration der Metall-Nanopartikel unter Ausbildung eines zusammenhängenden Metallgebietes mit einer gegenüber dem Sinterausgangsmaterial hohen elektrischen Leitfähigkeit.
Es hat sich gezeigt, dass Stoffe mit einer Acrylsäuregruppe als aktivem Element sehr gut als passivierende Liganden für die Metallpartikel geeignet sind. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass die Liganden bzw. die die Metallpartikel umhüllenden Ligandenhüllen aus Polyacrylsäure oder aus Polyacrylsäure-Natrium-Salz (PAA Na) bestehen.
Insbesondere als für die chemische Sinterung unter Leitfähigkeitserhöhung geeignet erwiesen hat es sich, wenn die Metallpartikel aus Silber, Gold oder Kupfer bestehen und von einer passivierenden Ligandenhülle aus einem Stoff mit einer Acrylsäuregruppe umhüllt sind, wobei zum Auslösen der chemischen Sinterung ein Halogensalz (insbesondere NaCl, KCl, FeCl₃, CuCl₂, NH₄Cl, LiCl oder ZnCl₂) verwendet wird. Mittels einer solchen Materialkombination kann durch das Sintern eine Widerstandsverkleinerung um einen Faktor von 1000 oder größer erzielt werden, z.B. eine Widerstandsänderung von einem Widerstandswert von größer als 10 MΩ auf einen Widerstandswert von kleiner als 500 Ω. Aufgrund dieser starken Widerstandsänderung können die entsprechenden Sensorelemente z.B. als Schaltelemente in elektrischen Schaltungen fungieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Feuchtigkeitssensorelement ferner ein Element (z.B. ein Substrat) aus einem porösen Material auf, wobei das Salzdepot und das Sintermaterialdepot in einem Abstand zueinander an dem porösen Element angeordnet sind. Die bei Überschreiten der Deliqueszenzfeuchtigkeit entstehende Salzlösung kann durch das poröse Material hindurch zu dem Sintermaterialdepot wandern bzw. diffundieren (daher wird das poröse Element im Folgenden auch als „Diffusionselement“ bezeichnet). Das Salzdepot und das Sintermaterialdepot sind somit mittels eines zwischen denselben liegenden Abschnitts des porösen Diffusionselements voneinander getrennt bzw. beabstandet, wobei dieser zwischen dem Salzdepot und dem Sintermaterialdepot liegende Abschnitt des Diffusionselements als Diffusionsstrecke fungiert, mittels derer ein zeitverzögertes Ansprechen des Feuchtigkeitssensorelements realisierbar ist.
Die Salzlösung benötigt eine gewisse Zeitspanne bzw. Diffusionszeit, um über die Diffusionsstrecke hinweg bis zu dem Sintermaterialdepot zu diffundieren, wobei eine effektive Diffusion nur stattfindet, solange die Luftfeuchtigkeit bei oder oberhalb der Deliqueszenzfeuchtigkeit bzw. Effloreszenzfeuchtigkeit des Salzes liegt. Wenn die Luftfeuchtigkeit, der das Sensorelement ausgesetzt ist, unterhalb der Effloreszenzfeuchtigkeit des Salzes liegt, geht die Salzlösung in den festen Aggregatzustand über und das Salz kristallisiert, wobei die Diffusion des Salzmaterials durch das poröse Element hindurch im Wesentlichen zum Erliegen kommt (d.h. die Diffusionsgeschwindigkeit des festen Salzes ist vernachlässigbar klein gegenüber der Diffusionsgeschwindigkeit der flüssigen Salzlösung). Somit ist mittels der Diffusionsstrecke eine Mindest-Expositionszeit festlegbar, während derer die Luftfeuchtigkeit nach einem Überschreiten der Deliqueszenzfeuchtigkeit bei oder oberhalb der Effloreszenzfeuchtigkeit des Salzes liegen muss, damit ein Ansprechen des Sensorelements (d.h. ein Sintern des Sintermaterials) erfolgt.
Mittels einer solchen Diffusionsstrecke kann das Feuchtigkeitssensorelement somit als zeitlich integrierendes Sensorelement in Form eines feuchtigkeitsgrenzwertaktivierten Integrators ausgebildet sein, wobei die zum Ansprechen bzw. Auslösen des Sensorelements mindestens erforderliche Grenzfeuchte durch die Auswahl des Salzes einstellbar bzw. vorgebbar ist, und wobei die bis zum Ansprechen des Sensorelements erforderliche Mindest-Expositionszeit durch die Länge der Diffusionsstrecke, die Art des porösen Materials (z.B. die Porengröße) und die gewählte Geometrie einstellbar bzw. vorgebbar ist.
Das poröse Element besteht bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Material, sodass die Leitfähigkeitsänderung des Sintermaterials zuverlässig erfassbar ist. Das poröse Element kann z.B. aus einem offenporigen (festen) Schaummaterial bestehen, z.B. aus einem Keramikschaum oder einem Kunststoffschaum. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, das Diffusionselement mittels eines oder mehrerer Kanäle porös zu gestalten; wobei das Diffusionselement z.B. einen oder mehrere von dem Salzdepot bis zu dem Sintermaterialdepot verlaufende Kanäle (z.B. in Form von Mikrokanälen) aufweist, durch welche hindurch die Salzlösung von dem Salzdepot zu dem Sintermaterialdepot wandern kann.
Das Feuchtigkeitssensorelement kann zudem (ein oder mehrere) Gebiete bzw. Abschnitte aufweisen (im Folgenden auch als „Leiterabschnitte“ bezeichnet), die bereits von Beginn an (d.h. z.B. nicht erst nach Durchlaufen eines Sinterprozesses) elektrisch leitfähig sind, wobei solche leitfähigen Abschnitte z.B. als Kontaktelektroden zum Kontaktieren des Sensorelements dienen können oder elektrisch leitende Bauelemente (wie z.B. Spulen, Spiralen oder Leiterstrukturen) des Sensorelements bilden können. Die Leiterabschnitte bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. einem Metall.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Feuchtigkeitssensorelement (mindestens) einen ersten und einen zweiten Leiterabschnitt aus einem elektrisch leitfähigen Material auf, wobei mindestens ein Sintermaterialdepot derart angeordnet ist, dass von ihm der erste Leiterabschnitt mit dem zweiten Leiterabschnitt verbunden ist. D.h., das Sintermaterialdepot ist derart ausgebildet und angeordnet, dass es an einer ersten Position davon den ersten Leiterabschnitt und an einer zweiten Position davon den zweiten Leiterabschnitt kontaktiert.
Bei einer Leitfähigkeitsänderung des Sintermaterialdepots infolge einer chemischen Sinterung ändert sich auch der elektrische Widerstand zwischen dem ersten und dem zweiten Leiterabschnitt, wobei diese Widerstandsänderung erfassbar ist (z.B. mittels elektrischen Kontaktierens der beiden Leiterabschnitte) und somit erfasst werden kann, ob der vorgegebene Feuchtigkeitsgrenzwert überschritten wurde oder nicht. Als ein anderes Beispiel kann mittels der Änderung des elektrischen Widerstandes des Sintermaterialdepots bzw. des Sintermaterials eine Änderung einer Antwortcharakteristik (z.B. der Resonanzfrequenz) eines elektrischen Bauelements des Feuchtigkeitssensors hervorgerufen werden, mittels derer erfassbar ist, ob der vorgegebene Feuchtigkeitsgrenzwert überschritten wurde.
Es kann z.B. vorgesehen sein, dass das Sintermaterial bzw. das Sintermaterialdepot bei Kontakt mit der Salzlösung von einem Zustand mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit (z.B. einem elektrisch isolierenden Zustand) in einen Zustand mit einer demgegenüber höheren elektrischen Leitfähigkeit (z.B. einen elektrisch leitenden Zustand) übergeht, sodass bei Überschreiten der Deliqueszenzfeuchtigeit der Widerstand zwischen dem ersten Leiterabschnitt und dem zweiten Leiterabschnitt absinkt (z.B. ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Leiterabschnitt hergestellt wird).
Das Feuchtigkeitssensorelement kann z.B. in drahtlosen und/oder passiven (d.h. keine eigene Energieversorgung aufweisenden) Sensoren zur Anwendung kommen oder einen solchen Sensor bilden.
Es kann z.B. vorgesehen sein, das Sensorelement als drahtlos abfragbares bzw. auslesbares Sensorelement auszubilden, indem das Sensorelement eine elektrische Schaltung aus oder mit einem oder mehreren Leiterabschnitten aus einem permanent elektrisch leitfähigen Material aufweist, wobei die elektrische Schaltung eine vorgegebene Resonanzfrequenz aufweist, und wobei mindestens ein Sensormaterialdepot derart als Bestandteil der Schaltung in dieselbe eingebunden ist, dass eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Sintermaterialdepots mit einer Änderung der Resonanzfrequenz der elektrischen Schaltung einhergeht. Die elektrische Schaltung kann z.B. als elektrischer Schwingkreis ausgebildet sein.
Die Änderung der Resonanzfrequenz einer solchen elektrischen Schaltung kann in dem Fachmann bekannter Art und Weise drahtlos erfasst werden, z.B. indem das Sensorelement bzw. die elektrische Schaltung elektromagnetischen Feldern unterschiedlicher Frequenzen ausgesetzt wird und die Energieabsorption bei den jeweiligen Frequenzen erfasst und ausgewertet wird. Die jeweilige Resonanzfrequenz kann z.B. anhand einer verstärkten Energieabsorption in diesem Frequenzbereich erfasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Feuchtigkeitssensorelement als (z.B. passiver) RFID-Transponder (wobei RFID für das englische „radio-frequency identification“ steht) ausgebildet, wobei das Sintermaterialdepot als ein Datenspeicher des RFID-Transponders fungiert, der zwei Informationszustände einnehmen kann, wobei einer der Informationszustände durch die elektrische Leitfähigkeit des ungesinterten Sintermaterials definiert ist und der andere Informationszustand durch die elektrische Leitfähigkeit des gesinterten Sintermaterials definiert ist.
Wie oben erläutert, stellt der durch die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit definierte Zustandswechsel einen intrinsischen Gedächtniseffekt des Feuchtigkeitssensorelements dar, sodass die Feuchtigkeitshistorie des Feuchtigkeitssensorelements anhand des Leitfähigkeitszustandes des Sintermaterialdepots erfassbar ist. Das Sintermaterialdepot bildet somit ein Informationsbit, das zwei mögliche Informationszustände charakterisieren kann (nämlich den Informationszustand „Feuchtigkeitsgrenzwert nicht überschritten“, definiert durch den ungesinterten Zustand des Sintermaterialdepots, und den Informationszustand „Feuchtigkeitsgrenzwert überschritten“, definiert durch den gesinterten Zustand des Sintermaterialdepots).
Der RFID-Transponder kann derart ausgebildet sein, dass beim Auslesen des RFID-Transponders mittels eines dafür vorgesehenen Lesegerätes der Informationszustand des von dem Sintermaterialdepot gebildeten Datenspeichers als Antwortsignal von dem RFID-Transponder an das Lesegerät übertragen wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Feuchtigkeitssensorelements gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungen bereitgestellt, demgemäß das Feuchtigkeitssensorelement mittels Druckens (d.h. mittels eines Drucktechnik-Verfahrens) hergestellt wird. Es kann z.B. vorgesehen sein, das Feuchtigkeitssensorelement bzw. die Sensorelementarzelle mittels Offset-, Flexo- oder Tintenstrahldruckens herzustellen. Indem das Sensorelement mittels Druckens hergestellt wird, kann es auf einfache Art und Weise in bestehende Anwendungen im Bereich gedruckter Elektronik integriert werden.
Mittels des Verfahrens kann ein Feuchtigkeitssensorelement gemäß den vorstehend bereits erläuterten Ausgestaltungen hergestellt werden, sodass im Folgenden lediglich knapp auf einige der entsprechenden Verfahrensschritte eingegangen wird und im Übrigen hiermit auf die Erläuterungen hinsichtlich der Vorrichtung in Form des Feuchtigkeitssensorelements verwiesen wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, die Sintermaterialdepots des Sensorelements mittels Druckens auszubilden, wobei die Sintermaterialdepots z.B. mittels Aufdruckens einer anorganischen Metall-Nanopartikel-Tinte ausgebildet werden können. Zudem kann vorgesehen sein, die Salzdepots, die als Diffusionsstrecke fungierenden porösen Abschnitte und/oder die elektrisch leitfähigen Leiterabschnitte eines solchen Sensorelements mittels Aufdruckens entsprechender Tinten unter Ausbildung von Abschnitten mit den oben beschriebenen Geometrien und Eigenschaften auszubilden. Die Salzdepots, Sintermaterialdepots, porösen Abschnitte und Leiterabschnitte können z.B. auf ein Trägersubstrat aufgedruckt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Trägersubstrat ein Trägersubstrat aus einem porösen Material, wobei die als Diffusionsstrecke fungierenden Abschnitte des Sensorelements von dem Trägersubstrat gebildet werden. Demgemäß werden die Salzdepots und die Sintermaterialdepots derart auf das Trägersubstrat aus dem porösen Material aufgedruckt, dass sie wie oben beschrieben in einem Abstand zueinander an dem porösen Substrat angeordnet sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die 1 bis 4 veranschaulicht, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
1 eine Schnittdarstellung eines Feuchtigkeitssensorelements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Schnittdarstellung eines Feuchtigkeitssensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Draufsicht eines Feuchtigkeitssensorelements gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und
4 eine Draufsicht eines Feuchtigkeitssensorelements gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
1 veranschaulicht ein Feuchtigkeitssensorelement 1 gemäß einer ersten Ausführungsform in einer Querschnittsdarstellung; wobei das Sensorelement 1 ein Salzdepot 3 und ein Sintermaterialdepot 5 aufweist bzw. aus denselben besteht. Das Salzdepot 3 besteht aus einem vorgegebenen Volumen eines deliqueszenten Salzes (hier als Beispiel des Halogensalzes NaCl) im festen, kristallinen Zustand. Das Salz 3 verflüssigt sich somit, wenn die Luftfeuchtigkeit, der das Sensorelement 1 ausgesetzt ist, die Deliqueszenzfeuchtigkeit des Salzes erreicht oder überschreitet; wobei die Deliqueszenzfeuchtigkeit von NaCl bei einer Temperatur von 20°C bei ca. 75% relativer Luftfeuchtigkeit liegt.
Das Sintermaterialdepot 5 besteht aus einem vorgegebenen Volumen eines Sintermaterials. Das Sinterausgangsmaterial (d.h. das ungesinterte Sintermaterial) ist derart ausgebildet bzw. gewählt, dass es bei Kontakt mit der Salzlösung unter irreversibler Änderung seiner elektrischen Leitfähigkeit chemisch gesintert wird; d.h., infolge des Kontakts mit der Salzlösung durchläuft das Sinterausgangsmaterial 5 einen irreversiblen chemischen Sinterprozess, wobei die elektrische Leitfähigkeit des gesinterten Sintermaterials sich von derjenigen des ungesinterten Sintermaterials unterscheidet.
Bei der Ausführung gemäß 1 ist das Sintermaterialdepot 5 mittels Aufdruckens einer anorganischen Metall-Nanopartikel-Tinte ausgebildet. Daher liegen in dem aufgedruckten Sintermaterialdepot 5 nach dem Trocknen der Tinte Metall-Nanopartikel vor, die von einer elektrisch passivierenden Ligandenhülle umgeben sind. Als Beispiel sind die Metall-Nanopartikel durch Silber-Nanopartikel und die Liganden durch Polyacrylsäure gegeben. D.h., im ungesinterten Zustand enthält das Sintermaterialdepot 5 Silber-Nanopartikel, die von einer elektrisch passivierenden bzw. isolierenden Ligandenülle aus Polyacrylsäure bzw. Polyacrylsäure-Molekülen umgeben sind und mittels der Ligandenhüllen voneinander separiert sind und einander nicht kontaktieren. Daher ist die elektrische Leitfähigkeit des ungesinterten Sintermaterials sehr gering, wobei das ungesinterte Sintermaterial (im Wesentlichen) elektrisch isolierend ist.
Bei Kontakt mit der Salzlösung des NaCl-Salzes wird das Sintermaterial mittels einer chemischen Reaktion gesintert, wobei die Ligandenhüllen von den Metall-Nanopartikeln entfernt werden. Am vorliegenden Beispiel erfolgt eine Ligandenaustauschreaktion, wobei die Polyacrylsäure-Liganden von den Metall-Nanopartikeln entfernt werden und durch die Anionen der Salzlösung ersetzt werden. Die Anionen der Salzlösung fungieren sozusagen als Substitutionsliganden und ersetzen die wesentlich voluminöseren Polyacrylsäure-Liganden. Dadurch können die Metallpartikel unter Ausbildung eines zusammenhängenden Metallgebietes agglomerieren, wodurch die Leitfähigkeit des Sintermaterials steigt. Die elektrische Leitfähigkeit des gesinterten Sintermaterials ist somit wesentlich höher als die elektrische Leitfähigkeit des ungesinterten Sintermaterials; wobei das gesinterte Sintermaterial insbesondere elektrisch leitfähig ist. Mittels des Sinterns erfolgt somit ein Übergang des Sintermaterials von einem elektrisch isolierenden zu einem elektrisch leitfähigen Zustand.
Das Salzdepot 3 und das Sintermaterialdepot 5 sind bei der Ausführung gemäß 1 einander kontaktierend angeordnet, sodass die bei Vorliegen der Deliqueszenzfeuchtigkeit gebildete Salzlösung sofort und unmittelbar das Sintermaterialdepot 5 kontaktiert und dadurch die chemische Sinterung und somit auch die Leitfähigkeitserhöhung des Sintermaterials 5 auslöst. Diese Leitfähigkeitsänderung kann auf dem Fachmann bekannte Art und Weise erfasst werden, sodass erfasst werden kann, ob die Luftfeuchtigkeit der das Sensorelement 1 kontaktierenden Luft die Deliqueszenzfeuchtigkeit des Salzes überschritten hat.
Der Feuchtigkeitssensor ermöglicht somit ein Erfassen des Überschreitens eines durch die Deliqueszenzfeuchtigkeit des Sensorsalzes 3 gegebenen relativen Luftfeuchtigkeitsgrenzwertes.
2 veranschaulicht ein Feuchtigkeitssensorelement 7 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer Querschnittsdarstellung; wobei das Sensorelement 7 ein Salzdepot 3, ein Sintermaterialdepot 5 und ein Substrat 9 aus einem porösen Material aufweist bzw. aus denselben besteht. Das Salzdepot 3 und das Sintermaterialdepot 5 bei der Ausführung gemäß 2 entsprechen dem Salzdepot 3 und dem Sintermaterialdepot 5 der Ausführung gemäß 1. Das Sensorelement 7 gemäß 2 unterscheidet sich von dem Sensorelement 1 gemäß 1 dadurch, dass es das Substrat 9 aufweist; wobei das Salzdepot 3 und das Sintermaterialdepot 5 in einem Abstand zueinander an dem Substrat 9 (im Kontakt zu demselben) angeordnet sind.
Wenn die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung des Sensorelements 7 die Deliqueszenzfeuchtigkeit des Salzes 3 erreicht, verflüssigt sich das Salz 3 unter Ausbildung einer flüssigen Salzlösung. Diese Salzlösung kann durch das poröse Substratmaterial hindurch zu dem Sintermaterialdepot 5 diffundieren, sodass das poröse Element 9 als Diffusionselement 9 fungiert. Der zwischen dem Salzdepot 3 und dem Sintermaterialdepot 5 liegende Substratabschnitt fungiert somit als Diffusionsstrecke D (in 2 veranschaulicht durch den mit D bezeichneten Doppelpfeil), mittels derer ein zeitverzögertes Ansprechen des Feuchtigkeitssensorelements realisierbar ist. Das Sensorelement 7 spricht daher nur an, wenn die Expositionszeit, während derer das Sensorelement 7 nach einem Überschreiten der Deliqueszenzfeuchtigkeit einer mindestens der Effloreszenzfeuchtigkeit des Salzes entsprechenden Luftfeuchtigkeit ausgesetzt ist, gleich oder größer ist als die Diffusionszeit, die die Salzlösung zum Überbrücken der Diffusionsstrecke D benötigt.
Bei der Ausführung gemäß 2 besteht das Substrat 9 aus einem offenporigen, festen (d.h. nicht flüssigen) und elektrisch isolierenden Schaummaterial, z.B. einem Kunststoffschaum.
Die Sensorelemente 1, 7 gemäß den 1 bzw. 2 können z.B. in einem als RFID-Transponder ausgebildeten Feuchtigkeitssensor derart vorgesehene sein, dass das Sintermaterialdepot 5 als ein Datenspeicher des RFID-Transponders fungiert, der zwei Informationszustände einnehmen kann, wobei einer der Informationszustände durch die elektrische Leitfähigkeit des ungesinterten Sintermaterials 5 definiert ist und der andere Informationszustand durch die elektrische Leitfähigkeit des gesinterten Sintermaterials 5 definiert ist.
3 veranschaulicht ein Feuchtigkeitssensorelement 11 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in einer Aufsicht; wobei das Sensorelement 11 mehrere (hier: drei) Salzdepots 3, mehrere (hier: vier) Sintermaterialdepots 5, mehrere (hier: drei) Diffusionsabschnitte 9 aus einem porösen Material und zwei Leiterabschnitte 13, 15 aus einem bereits initial elektrisch leitfähigen Material aufweist bzw. aus denselben besteht. Die Ausbildung und die Wirkungsweise der Salzdepots 3, Sintermaterialdepots 5 und porösen Diffusionsabschnitte 9 entspricht denjenigen gemäß 2 bzw. 1.
Die Leiterabschnitte 13, 15 bestehen als Beispiel aus einem metallischen Material (z.B. Silber), wobei jedes der Sintermaterialdepots 5 in Form eines länglichen Steges ausgeführt ist und derart angeordnet ist, dass von ihm der erste Leiterabschnitt 13 mit dem zweiten Leiterabschnitt 15 verbunden wird. Jedes der Sintermaterialdepots 5 kontaktiert an seinem ersten Längsende den ersten Leiterabschnitt 13 und an seinem zweiten Längsende den zweiten Leiterabschnitt 15.
Jedes der Salzdepots 3 ist derart von einem porösen Diffusionsabschnitt 9 umgeben, dass das Salzdepot 3 mittels des porösen Diffusionsabschnitts 9 von den benachbarten Sintermaterialdepots 5 beabstandet ist, sodass bei Überschreiten der Deliqueszenzfeuchtigkeit des Salzes 3 ein Ansprechen des Sensorelements 11 nicht sofort, sondern erst nach Erreichen einer durch die Diffusionsabschnitte 9 vorgegebenen Mindest-Expositionszeit erfolgt.
Wenn die Zeitspanne, während derer die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung des Sensorelements 11 die Deliqueszenzfeuchtigkeit des Salzes 3 erreicht oder überschreitet, diese Mindest-Expositionszeit erreicht, kontaktiert die Lösung des Salzes 3 die Sintermaterialdepots 5 und löst dadurch die chemische Sinterung aus, sodass die Sintermaterialdepots 5 irreversibel von dem elektrisch isolierenden Ausgangszustand in den elektrisch leitfähigen Endzustand versetzt werden. Mittels des Sinterns wird somit ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten 13 und dem zweiten Leiterabschnitt 15 hergestellt, wobei dieser Kontaktschluss auf dem Fachmann bekannte Art und Weise erfasst werden kann und somit anhand der Widerstandsänderung ein Überschreiten des durch die Deliqueszenzfeuchtigkeit des Salzes 3 vorgegebenen relativen Luftfeuchtigkeitsgrenzwertes erfasst werden kann.
Bei der Ausführung gemäß 3 ist jedes der Salzdepots 3 von einem porösen Diffusionsabschnitt 9 umgeben, wodurch ein zeitverzögertes Ansprechverhalten des Sensorelements 11 realisiert ist. Alternativ kann vorgesehen sein, das Sensorelement 11 ohne Diffusionsabschnitte 9 derart auszubilden, dass jedes Salzdepot 3 die jeweils benachbarten Sintermaterialdepots 5 direkt kontaktiert, wodurch ein sofortiges, (im Wesentlichen) zeitlich unverzögertes Ansprechverhalten möglich ist.
Bei der Ausführung gemäß 3 sind zu Redundanzzwecken mehrere Sintermaterialdepots 5 vorgesehen, die den ersten 13 mit dem zweiten 15 Leiterabschnitt verbinden. Alternativ kann vorgesehene sein, lediglich ein einziges solches Sintermaterialdepot 5 vorzusehen.
4 veranschaulicht ein Feuchtigkeitssensorelement 17 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung in einer Aufsicht; wobei das Sensorelement 17 zwei spiralförmige Leiterabschnitte bzw. Leiterspiralen 19, 21 mit gegensinnigem Windungssinn (in 4 veranschaulicht durch die beiden Pfeile) aufweist. Die erste Leiterspirale 19 ist mittels der in 3 veranschaulichten Sensoranordnung 11 mit der zweiten Leiterspirale 21 verbunden; d.h., die Sensoranordnung 11 gemäß 3 ist zwischen die beiden Leiterspiralen 19, 21 geschaltet.
Die erste Leiterspirale 19 ist dabei kontaktierend mit dem ersten Leiterabschnitt 13 der Anordnung 11 verbunden; die zweite Leiterspirale 21 ist kontaktierend mit dem zweiten Leiterabschnitt 15 der Anordnung 11 verbunden.
Das Sensorelement 17 gemäß 4 kann als passives, drahtlos auslesbares Sensorelement fungieren. Im ungesinterten Zustand der Sintermaterialdepots 5 der Anordnung 11 ist die Verbindung zwischen der ersten 19 und der zweiten 21 Spirale elektrisch isolierend, wohingegen im gesinterten Zustand der Sintermaterialdepots 5 der Anordnung 11 ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen den beiden Spiralen 19, 21 besteht. Die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der Verbindung zwischen den beiden Leiterspiralen 19, 21 geht mit einer Änderung der elektromagnetischen Resonanzfrequenz des Sensorelements 17 einher; sodass das Überschreiten des mittels des Salzes 3 vorgegebenen Feuchtigkeitsgrenzwertes mittels (drahtlosen) Erfassens der Resonanzfrequenz erfassbar ist. Indem die beiden Spiralen 19, 21 gegensinnig gewickelt sind, addieren sich die bei Anregung durch ein externes elektromagnetisches Feld in den Spiralen 19, 21 induzierten Ströme, wodurch eine entsprechend vergrößerte Auslesereichweite des Sensorelements 17 ermöglicht ist.
Bei der Ausführung gemäß 4 sind die beiden Leiterspiralen 19, 21 zu Redundanzzwecken mittels mehrerer Sintermaterialdepots miteinander verbunden. Alternativ kann vorgesehen sein, die beiden Spiralen 19, 21 lediglich mittels eines einzigen Sintermaterialdepots miteinander zu koppeln, z.B. indem die Anordnung 1 gemäß 1 derart zwischen die erste 19 und die zweite 21 Leiterspirale geschaltet wird, dass mittels des Sintermaterialdepots 5 die erste 19 mit der zweiten 21 Leiterspirale verbunden ist. Die Ausführung gemäß 4 ermöglicht insbesondere eine drahtlose, passive transistorlose Sensorvariante unter Nahfeldkopplung (magnetisch), wobei jedoch auch fernfeldgekoppelte Varianten realisierbar sind.
Die Sensorelemente 1, 7, 11, 17 können mittels Aufdruckens (z.B. mittels Inkjetdruck) ihrer jeweiligen Materialabschnitte bzw. Materialgebiete auf ein Trägersubstrat hergestellt sein.
Bezugszeichenliste

1: Feuchtigkeitssensorelement
3: Salzdepot/Sensorsalz
5: Sintermaterialdepot/Sintermaterial
7: Feuchtigkeitssensorelement
9: poröses Substrat
11: Feuchtigkeitssensorelement
13, 15: Leiterelement aus einem elektrisch leitfähigen Material
17: Feuchtikgeitssensorelement
19, 21: spiralförmiger Leiterabschnitt

Claims

Feuchtigkeitssensorelement (1, 7, 11, 17) zum Erfassen des Überschreitens eines Feuchtigkeitsgrenzwertes, aufweisend: – mindestens ein Salzdepot (3) mit einem im festen Aggregatzustand vorliegenden deliqueszenten Salz, das sich bei Vorliegen seiner Deliqueszenzfeuchtigkeit unter Ausbildung einer Salzlösung verflüssigt, und – mindestens ein Sintermaterialdepot (5) mit einem Sintermaterial enthaltend Metallpartikel, die von einer elektrisch passivierenden Hülle aus Liganden umgeben sind, wobei die Liganden derart ausgebildet sind, dass sie bei Kontakt mit der Salzlösung derart mit derselben chemisch reagieren, dass sie von den Metallpartikeln unter irreversibler Änderung einer elektrischen Leitfähigkeit des Sintermaterials entfernt werden, wobei – das Salzdepot (3) und das Sintermaterialdepot (5) derart angeordnet sind, dass die bei Vorliegen der Deliqueszenzfeuchtigkeit gebildete Salzlösung das Sintermaterial kontaktiert und somit die chemische Sinterung des Sintermaterials auslöst, wobei ein Überschreiten des durch die Deliqueszenzfeuchtigkeit des Salzes gegebenen Feuchtigkeitsgrenzwertes mittels der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Sintermaterials erfassbar ist.
Feuchtigkeitssensorelement (1, 7, 11, 17) gemäß Anspruch 1, wobei das Salz (3) ein Halogensalz ist.
Feuchtigkeitssensorelement (1, 7, 11, 17) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sintermaterial (5) eine anorganische Metall-Nanopartikel-Tinte ist.
Feuchtigkeitssensorelement (1, 7, 11, 17) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Liganden jeweils eine Acrylsäuregruppe aufweisen.
Feuchtigkeitssensorelement (1, 7, 11, 17) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend ein Element (9) aus einem porösen Material, wobei das Salzdepot (3) und das Sintermaterialdepot (5) in einem Abstand zueinander an dem Element aus dem porösen Material angeordnet sind.
Feuchtigkeitssensorelement (1, 7, 11, 17) nach Anspruch 5, wobei das poröse Material ein offenporiges Schaummaterial ist.
Feuchtigkeitssensorelement (1, 7, 11, 17) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend einen ersten (13) und einen zweiten (15) Leiterabschnitt aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei das Sintermaterialdepot (5) derart angeordnet ist, dass von ihm der erste Leiterabschnitt mit dem zweiten Leiterabschnitt verbunden ist.
Feuchtigkeitssensorelement (1, 7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Feuchtigkeitssensorelement als RFID-Transponder ausgebildet ist, wobei das Sintermaterialdepot (5) als ein Datenspeicher des RFID-Transponders fungiert, der zwei Informationszustände einnehmen kann, wobei einer der Informationszustände durch die elektrische Leitfähigkeit des ungesinterten Sintermaterials definiert ist und der andere Informationszustand durch die elektrische Leitfähigkeit des gesinterten Sintermaterials definiert ist.
Verfahren zum Herstellen eines Feuchtigkeitssensorelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Feuchtigkeitssensorelement mittels Druckens hergestellt wird.