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Die Erfindung betrifft einen Temperaturdetektor insbesondere zur zeitlichen Überwachung einer Temperatur.
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Es ist bekannt, Temperatursensoren zur zeitlichen Überwachung einer Temperatur beispielsweise beim Transport von Lebensmitteln einzusetzen. Dabei sind aktive Datenlogger und passive Systeme bekannt. Bekannte Lösungen sind regelmäßig aufwendig in der Herstellung und/oder haben nur eine eingeschränkte Funktionalität.
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Hiervon ausgehend wird ein Temperaturdetektor gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs vorgestellt. Durch die in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Temperaturdetektors möglich.
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Es wird ein Temperaturdetektor zur zeitlichen Überwachung einer Temperatur vorgestellt umfassend zumindest ein Phasenwechselmaterial, wobei das Phasenwechselmaterial die Eigenschaft aufweist, bei Überschreitung mindestens eines vorher festgelegten Schwellwertes, welcher zumindest auf einer Temperatur basiert, aus einer amorphen Phase in eine kristalline Phase überzugehen und sich dadurch in mindestens einer seiner optischen Eigenschaften zu verändern.
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Der Temperaturdetektor ist bevorzugt dazu bestimmt und eingerichtet, eine Temperatur von temperatursensitiven Produkten zu überwachen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass mit dem Temperaturdetektor eine historische Entwicklung einer Temperatur jedenfalls derart überwacht werden kann, dass das Überschreiten eines temperaturbasierten Schwellwertes erkannt werden kann. Der Begriff „Schwellwert“ umfasst hier zunächst normale Temperaturschwellen, die als überschritten gelten, wenn eine bestimmte Temperatur einmalig und gegebenenfalls auch nur für einen sehr kurzen Zeitraum überschritten wurde. Von dem Begriff Schwellwert sind hier aber auch Schwellen umfasst, die neben einer Temperatur auch zeitliche Komponenten berücksichtigen. Dies kann einerseits dadurch realisiert sein, dass ein Schwellwert erst als erreicht gilt, wenn eine bestimmt Temperatur für eine bestimmte Zeitdauer überschritten wird. Von dem Begriff „Schwellwert“ sind hier weiterhin auch Schwellen umfasst, die ein Produkt aus einer Temperatur und einer Zeit darstellen. Liegt eine erste Temperatur über eine erste Zeitspanne vor, ist das zugehörige Produkt aus Temperatur und Zeit genau so groß wie in einem anderen Fall, in dem eine zweite Temperatur über ein zweites Zeitintervall vorliegt, wobei die zweite Temperatur doppelt so groß wie die erste Temperatur ist und die zweite Zeitspanne halb so lang wie die erste Zeitspanne ist. Für solche kombinierten Zeit-Temperatur Schwellwerte ist im Allgemeinen auch üblich, dass das den Schwellwert charakterisierende Produkt jeweils das Produkt einer Zeit und einer Temperaturdifferenz zwischen einer auf den Temperaturdetektor wirkenden Temperatur und einer festgelegten Grenztemperatur ist. Wenn die festgelegte Grenztemperatur 100 °C beträgt, dann würde sich bei einer wirkenden Temperatur von 110 °C über eine Zeitdauer von 5 Minuten beispielsweise ein Schwellwert als Produkt von 5 Minuten und 10 K ergeben. Gegebenenfalls können auch noch deutlich komplexere Zusammenhänge aus Temperatur und Zeit zur Ermittlung von Schwellwerten verwendet werden. Beispielsweise sind Anwendungsfälle denkbar, in denen besonders hohe Temperaturen bei der Berechnung des Schwellwertes überproportional berücksichtigt werden. Übliche Schwellwerte können auch als Integral der Temperatur über die Zeit realisiert sein. Solche Schwellwerte basieren im Allgemeinen auf einer energetischen Betrachtung von Zeit und Temperatur. Für den Übergang aus einer amorphen Phase in eine kristalline Phase ist normalerweise eine Aktivierungsenergie notwendig. Eine Aktivierungsenergie wird durch die Wirkung einer Temperatur auf das Phasenwechselmaterial kontinuierlich gegebenenfalls über einen Zeitraum hinweg aufgebaut.
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Beispielsweise kann mit dem Temperaturdetektor die Einhaltung einer Kühlkette beim Transport und/oder bei der Lagerung von Lebensmitteln oder Pharmaprodukten überwacht werden. Insbesondere kann mit dem Temperaturdetektor überprüft werden, ob innerhalb eines Überwachungszeitraums eine Temperatur zumindest zeitweise außerhalb eines vorgegebenen Temperaturfensters lag. Der Temperaturdetektor kann beispielsweise auf eine Produktverpackung aufgeklebt werden.
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Der Schwellwert kann wahlweise als minimaler (unterer) Schwellwert oder als maximaler (oberer) Schwellwert angelegt sein. Obere und untere Schwellwerte sollen nachfolgend anhand von einfachen, temperaturbasierten Schwellwerten erläutert werden. Wenn der Schwellwert eine „einfache“ Temperaturschwelle ist, dann überschreitet die Temperatur eine minimale (untere) Temperaturschwelle, wenn sie kleiner ist als die minimale (untere) Temperaturschwelle. Die Temperatur überschreitet eine maximale (obere) Temperaturschwelle wenn sie größer ist als die maximale (obere) Temperaturschwelle. Das Prinzip von minimalen (unteren) Schwellwerten und maximalen (oberen) Schwellwerten lässt sich problemlos auch auf andere zeit- und temperaturbasierte Schwellwerte übertragen.
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Das Phasenwechselmaterial kann bevorzugt in mindestens zwei verschiedene Phasen gebracht werden. Zumindest zu Beginn des Überwachungszeitraums liegt das Phasenwechselmaterial bevorzugt zumindest teilweise (d.h. zumindest an einigen Stellen) in der amorphen Phase vor. Weiterhin kann das Phasenwechselmaterial bevorzugt in einer kristallinen Phase vorliegen. Durch Kristallisieren kann das Phasenwechselmaterial aus der amorphen Phase in die kristalline Phase überführt werden. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Phasenwechselmaterial durch ein Initialisieren in die amorphe Phase überführt werden kann (insbesondere wenn es zuvor in der kristallinen Phase vorlag). Mit dem Initialisieren wird der Überwachungszeitraum begonnen. Das Prinzip der Überwachung im Überwachungszeitraum soll hier der Einfachheit halber anhand einer Temperaturschwelle als Schwellwert beschrieben werden. Überschreitet eine Temperatur des Temperaturdetektors nach der Initialisierung (d.h. innerhalb des Überwachungszeitraums) die Temperaturschwelle, geht das Phasenwechselmaterial bevorzugt durch Kristallisieren (wieder) in die kristalline Phase über. Das bedeutet, dass das Phasenwechselmaterial durch Aufsammeln von Temperatureinflüssen in die kristalline Phase übergehen kann. Beispielsweise kann das Phasenwechselmaterial durch eine besonders hohe Temperatur besonders schnell in die kristalline Phase übergehen. Auch kann das Phasenwechselmaterial durch Einwirkung einer niedrigeren Temperatur über eine entsprechend längere Zeit in die kristalline Phase übergehen. Der Phasenwechsel erfolgt, sobald eine Aktivierungsenergie des Phasenwechselmaterials überschritten ist. Das Phasenwechselmaterial kann durch Temperatureinfluss Energie aufsammeln, wobei umso mehr (und damit umso schneller) Energie aufgesammelt wird, je höher die Temperatur ist. Diese Prinzipien sind auf beliebige andere zeit- und temperaturbasierte Schwellwerte übertragbar.
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Wird eine derartige Überschreitung des Schwellwertes detektiert, kann z. B. ein mit dem Temperaturdetektor überwachtes Lebensmittelprodukt aussortiert werden.
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In der kristallinen Phase sind Atome und/oder Moleküle des Phasenwechselmaterials in einer regelmäßigen Kristallgitterstruktur angeordnet. In der amorphen Phase besteht hingegen keine kristalline Ordnung. Aufgrund der unterschiedlichen Ordnung der Atome und/oder Moleküle kann das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase und in der kristallinen Phase unterschiedliche optische Eigenschaften haben.
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Beispielsweise können die amorphe Phase und die kristalline Phase durch optische Eigenschaften wie eine Reflektivität, eine Transparenz, eine Farbe, eine Durchsichtigkeit, eine Brechzahl, eine Absorptionsfähigkeit und/oder eine Polarisierbarkeit (d.h. durch ein Maß dafür, wie und auf welche Weise von dem Phasenwechselmaterial reflektiertes Licht polarisiert wird) unterschieden werden. Auch kann das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase und in der kristallinen Phase unterschiedliche Dichten aufweisen. Eine damit zusammenhängende Volumenänderung durch Kristallisation kann beispielsweise zu einem veränderten Interferenzmuster führen. Das kann insbesondere dann der Fall sein, wenn das Phasenwechselmaterial als eine dünne Schicht vorliegt und damit eine Dünnschichtinterferenz auftreten kann.
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Kristallisiert das Phasenwechselmaterial aus der amorphen Phase in die kristalline Phase, so kann dies insbesondere an der Änderung einer oder mehrerer der genannten optischen Eigenschaften erkannt werden. Dadurch kann erkannt werden, ob der Schwellwert innerhalb des Überwachungszeitraums überschritten worden ist.
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Das Phasenwechselmaterial kann insbesondere durch Temperatureinfluss von einer Phase in eine andere Phase überführt werden (Phasenwechsel). Aus der kristallinen Phase kann das Phasenwechselmaterial durch Erwärmen (insbesondere über die Schmelztemperatur) und anschließendes schnelles Abkühlen in die amorphe Phase überführt werden. Unter einem schnellen Abkühlen wird hier insbesondere verstanden, dass das Phasenwechselmaterial innerhalb von einigen Nanosekunden, maximal wenigen Mikrosekunden, jedenfalls nahezu die Temperatur wieder annimmt, die vor dem Erwärmen vorlag. Ein derart schnelles Abkühlen kann erreicht werden, indem das Phasenwechselmaterial (beispielsweise durch Strahlung) nur lokal erwärmt wird, während die Umgebung des Phasenwechselmaterials nicht erwärmt wird. In dem Fall kann das erwärmte Phasenwechselmaterial sehr schnell seine Wärme an die (kältere) Umgebung abgeben. Bei einer hinreichend hohen Temperatur (insbesondere oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials) wird die kristalline Ordnung der Atome und/oder Moleküle des Phasenwechselmaterials aufgehoben. Kühlt das Phasenwechselmaterial von einer derartigen Temperatur ab, wird die kristalline Struktur grundsätzlich wiederhergestellt. Das ist jedenfalls bei solchen Materialien der Fall, die bei Abkühlung spontan (d. h. ohne weitere äußere Einflüsse) die kristalline Phase ausbilden. Das für den Temperaturdetektor verwendete Phasenwechselmaterial weist bevorzugt diese Eigenschaft auf. Wird das Phasenwechselmaterial nach Erwärmen auf die hinreichend hohe Temperatur (insbesondere oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials) sehr schnell abgekühlt, kann das Phasenwechselmaterial erstarren, bevor die kristalline Struktur ausgebildet werden kann. Damit kann die amorphe Phase entstehen.
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Das Phasenwechselmaterial kann weiterhin bevorzugt durch einen äußeren Temperatureinfluss aus der amorphen Phase in die kristalline Phase überführt werden. Insbesondere kann das Phasenwechselmaterial aus der amorphen Phase in die kristalline Phase überführt werden, wenn ein Schwellwert überschritten wird. Der Schwellwert ist beispielsweise das Produkt aus einer Temperatur und einer Zeit, das für einen Übergang des Phasenwechselmaterials aus der amorphen Phase in die kristalline Phase mindestens erreicht werden muss. Solche Schwellwerte sind damit eine Materialeigenschaft des Phasenwechselmaterials. Bevorzugt können solche Schwellwerte daher durch Wahl des Phasenwechselmaterials festgelegt werden. Es ist auch möglich, in einem Temperaturdetektor eine Mehrzahl von verschiedenen Phasenwechselmaterialien zu verwenden und damit eine Mehrzahl von Schwellwerten zeitgleich zu überwachen oder eine gezielte Kombination aus Schwellwerten vorzusehen, die mit einem einzelnen Phasenwechselmaterial nicht möglich wäre.
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Insbesondere eine Erwärmung des gesamten Temperaturdetektors einschließlich des Phasenwechselmaterials kann dazu führen, dass das Phasenwechselmaterial aus der amorphen Phase in die kristalline Phase übergeht. Wird das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase über eine Mindesttemperatur erwärmt und langsam abgekühlt, geht das Phasenwechselmaterial bevorzugt in die kristalline Phase über. Durch das langsame Abkühlen kann sich die kristalline Ordnung einstellen, bevor das Phasenwechselmaterial erstarrt. Anders als bei der zuvor beschriebenen lokalen Erwärmung des Phasenwechselmaterials wird auch die Umgebung des Phasenwechselmaterials bei Erwärmen des gesamten Temperaturdetektors mit erwärmt. Damit kann das Phasenwechselmaterial nicht schnell durch Wärmetausch mit der Umgebung abkühlen.
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Nachdem der Schwellwert einmal überschritten worden ist, kann das Phasenwechselmaterial bevorzugt nicht durch Manipulation in die amorphe Phase zurückgeführt werden. Insbesondere durch ein nachträgliches Abkühlen des (gesamten) Temperaturdetektors und/oder durch ein nachträgliches Erwärmen des (gesamten) Temperaturdetektors kann die amorphe Phase bevorzugt nicht wiederhergestellt werden.
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Das auswertbare veränderliche Muster wird bevorzugt durch Änderung einer optischen Eigenschaft des Phasenwechselmaterials (insbesondere durch Kristallisieren des Phasenwechselmaterials) verändert. Im ersten Zustand liegt das Phasenwechselmaterial zumindest teilweise in der amorphen Phase vor, was bedeutet, dass der Schwellwert seit der Initialisierung (noch) nicht überschritten worden ist. Im ersten Zustand kann daher bevorzugt aus dem auswertbaren veränderlichen Muster erkannt werden, dass der Schwellwert (noch) nicht überschritten worden ist. Beispielsweise kann das auswertbare veränderliche Muster im ersten Zustand einen Text „Ware ok“ umfassen. Auch kann das auswertbare veränderliche Muster im ersten Zustand beispielsweise einen grünen Punkt umfassen. Sobald der Schwellwert überschritten worden ist, liegt das Phasenwechselmaterial bevorzugt vollständig in der kristallinen Phase vor. In dem Fall befindet sich das auswertbare veränderliche Muster im zweiten Zustand und gibt damit bevorzugt an, dass der Schwellwert überschritten worden ist. Beispielsweise kann das auswertbare veränderliche Muster im zweiten Zustand einen Text „Ware nicht ok“ und/oder einen roten Punkt umfassen.
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Der Temperaturdetektor benötigt bevorzugt keine eigene Energieversorgung und kann insbesondere deshalb besonders kostengünstig hergestellt und/oder verwendet werden. Aufgrund der nicht benötigten Energieversorgung kann der Temperaturdetektor auch als passiver Sensor bezeichnet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Temperaturdetektors das Phasenwechselmaterial durch lokale Einwirkung mittels eines Lasers amorphisiert werden.
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Bevorzugt kann das Phasenwechselmaterial durch (lokale) Einwirkung mittels eines Lasers aus der kristallinen Phase in die amorphe Phase überführt werden. Eine derartige Überführung ist, wie weiter vorne beschrieben, grundsätzlich durch (lokale) Erwärmung des Phasenwechselmaterials auf eine hinreichend hohe Temperatur (insbesondere oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials) möglich. Durch lokale Einwirkung mittels eines Lasers kann eine derartige lokale Erwärmung erreicht werden. Insbesondere kann das Phasenwechselmaterial mit einem Laser besonders gut erwärmt werden, ohne dass die Umgebung des Phasenwechselmaterials mit erwärmt würde. Bei einer besonders genau lokal begrenzten Erwärmung des Phasenwechselmaterials kann das Phasenwechselmaterial besonders gut in die amorphe Phase überführt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Temperaturdetektors liegt das Phasenwechselmaterial in Form einer Schicht auf einem Trägersubstrat vor.
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Das Trägersubstrat kann beispielsweise eine Klebefolie (insbesondere zum Aufkleben auf eine Produktverpackung) oder ein Etikett sein. Bevorzugt ist das Trägersubstrat flexibel ausgeführt. Damit kann der Temperaturdetektor besonders gut auf eine Produktverpackung aufgeklebt werden. Das Phasenwechselmaterial überdeckt bevorzugt das gesamte Trägersubstrat. Nach einem Aufbringen des Phasenwechselmaterials als eine Schicht auf das Trägersubstrat liegt das Phasenwechselmaterial (zunächst) bevorzugt vollständig in der kristallinen Phase vor. Durch Initialisieren (d. h. insbesondere durch lokales Erwärmen beispielsweise durch einen Laser) kann das Phasenwechselmaterial zumindest lokal in die amorphe Phase überführt werden. Durch nur lokales Überführen des Phasenwechselmaterials in die amorphe Phase kann insbesondere das auswertbare veränderliche Muster gebildet werden. Beispielsweise kann aus einer vollflächigen Schicht des Phasenwechselmaterials ein Barcode als auswertbares veränderliches Muster erzeugt werden, indem das Phasenwechselmaterial nur an den Stellen der Striche des Barcodes lokal erwärmt und damit nur lokal in die amorphe Phase überführt wird. Das auswertbare veränderliche Muster wird bevorzugt mit dem Laser in die Schicht des Phasenwechselmaterials geschrieben. Das kann eine große Freiheit bei der Gestaltung des auswertbaren veränderlichen Musters ermöglichen. Weiterhin kann mit nur einem Arbeitsschritt das auswertbare veränderliche Muster erzeugt und der Temperaturdetektor initialisiert werden. Auch können beispielsweise Trägersubstrate in großer Stückzahl mit dem Phasenwechselmaterial beschichtet werden und bei der Initialisierung durch Einwirkung mit dem Laser individualisiert werden.
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An den Stellen der Schicht, an denen das Phasenwechselmaterial nicht erwärmt wurde, verbleibt es bevorzugt in der kristallinen Phase.
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Zwischen dem Phasenwechselmaterial und dem Trägersubstrat ist bevorzugt eine Hitzeschutzschicht ausgebildet. Durch die Hitzeschutzschicht kann das Trägersubstrat vor einer Hitzeeinwirkung geschützt werden (insbesondere wenn mit einem Laser auf das Phasenwechselmaterial eingewirkt wird). Auch kann durch Wahl des Materials und/oder der Schichtdicke der Hitzeschutzschicht eine Abkühlgeschwindigkeit des Phasenwechselmaterials beeinflusst werden. Grundsätzlich ist es bevorzugt, dass das Phasenwechselmaterial zur Amorphisierung schnell abkühlen kann. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass nur eine geringe Laserleistung zum Amorphisierung verwendet wird. Daher kann es vorteilhaft sein, eine erreichbare Abkühlrate des Phasenwechselmaterials durch die Hitzeschutzschicht zu reduzieren. Weiterhin ist bevorzugt auf der Schicht des Phasenwechselmaterials eine Deckschicht vorgesehen, insbesondere um das Phasenwechselmaterial vor äußeren Einflüssen zu schützen. Die Hitzeschutzschicht und die Deckschicht sind bevorzugt mit Al2O3 [Aluminiumoxid] gebildet.
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Bevorzugt weist die Schicht des Phasenwechselmaterials eine Schichtdicke im Bereich von 10 nm bis 100 nm [Nanometer], insbesondere im Bereich von 20 nm bis 40 nm auf. Die Hitzeschutzschicht und die Deckschicht weisen bevorzugt jeweils eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 20 nm [Nanometer], insbesondere im Bereich von 8 nm bis 12 nm auf.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Temperaturdetektors ändert das Phasenwechselmaterial bei Überschreitung des vorher festgelegten Schwellwertes seine Farbe.
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Bevorzugt weist das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase eine andere Farbe auf als in der kristallinen Phase. Durch einen Phasenwechsel bei Überschreitung des Schwellwertes kann sich die Farbe des Phasenwechselmaterials zumindest dann ändern, wenn das Phasenwechselmaterial zuvor in der kristallinen Phase vorlag. Die Farbe des Phasenwechselmaterials ist eine optische Eigenschaft, die unmittelbar und ohne Hilfsmittel wahrnehmbar ist. Damit kann eine Änderung der Farbe z. B. von einem Endverbraucher auf besonders einfache Weise erkannt werden. Aus der Farbe des Phasenwechselmaterials kann so insbesondere erkannt werden, ob der Schwellwert im Überwachungszeitraum überschritten worden ist. Auch kann eine Änderung der Farbe von einem Auslesegerät erfasst werden. Bei dem Auslesegerät kann es sich beispielsweise um eine Kamera handeln. Ein von der Kamera aufgenommenes Signal kann beispielsweise mittels einer Software derart ausgewertet werden, dass die Farbe des Phasenwechselmaterials automatisiert erfasst wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Temperaturdetektors ändert das Phasenwechselmaterial bei Überschreitung des vorher festgelegten Schwellwertes seine optische Reflektivität.
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Bevorzugt weist das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase eine andere optische Reflektivität auf als in der kristallinen Phase. Durch einen Phasenwechsel bei Überschreitung des Schwellwertes kann sich die Reflektivität des Phasenwechselmaterials zumindest dann ändern, wenn das Phasenwechselmaterial zuvor in der amorphen Phase vorlag. Bevorzugt ist die optische Reflektivität des Phasenwechselmaterials in der amorphen Phase niedriger als in der kristallinen Phase. Eine optische Reflektivität kann insbesondere mit einem Auslesegerät wie einer Kamera erfasst und gemessen werden. Auch kann eine optische Reflektivität mit bloßem Auge erfasst werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Temperaturdetektors ist das Phasenwechselmaterial auf Basis von Ge-Sb-Te Verbindungen ausgebildet.
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Insbesondere Verbindungen aus Ge [Germanium], Sb [Antimon] und/oder Te [Tellur] können die Eigenschaften aufweisen, die als für das Phasenwechselmaterial bevorzugt beschrieben wurden. Bevorzugt ist das Phasenwechselmaterial im Wesentlichen mit Sb und/oder Te gebildet und mit Ge dotiert.
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Auch kann das Phasenwechselmaterial zumindest teilweise eine räumlich (bevorzugt kontinuierlich) veränderliche Materialzusammensetzung aufweisen. Eine derartige Materialzusammensetzung kann insbesondere durch Kosputtern hergestellt werden. Beim Kosputtern wird eine dünne Schicht aus mindestens zwei Bestandteilen gewachsen, wobei jeder der einzelnen Bestandteile aus einer jeweiligen Quelle in eine Sputterkammer eingebracht wird. Die einzelnen Materialquellen sind räumlich beabstandet voneinander angeordnet. Dadurch ist die Materialkonzentration der einzelnen Materialien an verschiedenen Stellen der gewachsenen Schicht unterschiedlich groß.
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Beispielsweise kann das Phasenwechselmaterial auf einer Seite des Temperaturdetektors zu 100 % aus Sb und auf einer gegenüberliegenden Seite aus 80 % Sb und 20 % Ge gebildet sein. Dazwischen kann der Ge-Anteil z. B. linear von 0 % auf 20 % ansteigen. Weil der Schwellwertmit der Materialzusammensetzung zusammenhängt, weist das Phasenwechselmaterial in diesem Beispiel auch einen Schwellwertauf, der sich kontinuierlich von einer Seite zur anderen verändert. Mit einem derartigen Temperaturdetektor mit einer räumlich veränderten Materialzusammensetzung kann beispielsweise eine historisch maximal erreichte Temperatur gemessen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Temperaturdetektors sind weiterhin temperaturunabhängige Strukturen auf dem Temperaturdetektor angeordnet, die zu dem auswertbaren veränderlichen Muster beitragen.
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Bei den temperaturunabhängigen Strukturen handelt es sich bevorzugt um dauerhaft sichtbare Bereiche auf der Oberfläche des Temperaturdetektors. Beispielsweise können die temperaturunabhängigen Strukturen mit Farbe auf den Temperaturdetektor aufgedruckt werden. Die temperaturunabhängigen Strukturen werden bevorzugt durch das Phasenwechselmaterial derart ergänzt, dass je nach Phase des Phasenwechselmaterials verschiedene Informationen optisch dargestellt werden. Bevorzugt ist das Phasenwechselmaterial derart ausgeführt, dass es in der kristallinen Phase nicht sichtbar und in der amorphen Phase sichtbar ist. Alternativ ist es bevorzugt, dass das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase jedenfalls dunkler erscheint als in der kristallinen Phase.
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Beispielsweise kann das auswertbare veränderliche Muster ein Barcode sein, bei dem einige Striche mit dem Phasenwechselmaterial gebildet sind (sofern dieses in der amorphen Phase vorliegt) und die übrigen Striche mit den temperaturunabhängigen Strukturen gebildet sind. In dem Fall kann die Gesamtheit der Striche zwei verschiedene Informationen kodieren, je nachdem in welcher Phase das Phasenwechselmaterial vorliegt. Liegt das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase vor (und ist also beispielsweise sichtbar), kann in dem Barcode eine andere Information kodiert sein als wenn das Phasenwechselmaterial in der kristallinen Phase vorliegt (und damit beispielsweise nicht sichtbar ist). Durch Überschreiten des Schwellwertes können also Striche aus einem Barcode entfernt werden, wodurch die von dem Barcode kodierte Information verändert werden kann.
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kann das auswertbare veränderliche Muster beispielsweise nach Art eines Aufdrucks „Ware ok“ durch das Phasenwechselmaterial (in der amorphen Phase) realisiert sein. Der Text kann unsichtbar werden, wenn der Schwellwert überschritten wird und das Phasenwechselmaterial in die kristalline Phase überführt wurde (und damit in diesem Beispiel nicht mehr sichtbar ist).
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die temperaturunabhängigen Strukturen dadurch erzeugt werden können, dass mit einer Strahlenquelle wie einem Laser auf die Oberfläche des Temperaturdetektors eingewirkt wird. Durch Einwirkung mit dem Laser kann beispielsweise die Struktur der Oberfläche des Temperaturdetektors verändert werden, wodurch eine Farbe der Oberfläche an Einwirkungsstellen verändert wird. Insbesondere ist es bevorzugt, dass durch Einwirkung mittels eines Lasers die Deckschicht des Temperaturdetektors (lokal) durchbrochen werden kann. Das unterhalb der Deckschicht angeordnete Phasenwechselmaterial kann dabei bevorzugt (lokal) entfernt werden, beispielsweise durch Verdampfen. An den Einwirkungsstellen können sich so Fehlstellen in dem Phasenwechselmaterial ausbilden (d.h. solche Stellen, an denen kein Phasenwechselmaterial vorliegt). Zur Durchbrechung der Deckschicht und/oder zum Verdampfen des Phasenwechselmaterials wird ein Laser bevorzugt, der mit einer höheren Leistung des Lasers auf das Phasenwechselmaterial einwirken kann als dies insbesondere beim Initialisieren der Fall ist. Durch die Leistung des Lasers kann also bevorzugt zwischen Erzeugung einer Fehlstelle und Initialisieren bzw. Amorphisieren unterschieden werden. Die temperaturunabhängigen Strukturen können (vollständig oder teilweise) durch derartige Fehlstellen realisiert sein. Bevorzugt erscheinen die Fehlstellen dunkler als das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase (und damit bevorzugt auch insbesondere dunkler als das Phasenwechselmaterial in der kristallinen Phase).
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Als weiterer Aspekt wird ein Verfahren zur Verwendung eines Temperaturdetektors vorgestellt.
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Die weiter vorne beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Temperaturdetektors sind auf das beschriebene Verfahren anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.
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Die Verfahrensschritte a) bis c) werden bevorzugt, aber nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchlaufen.
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In Schritt a) kann die optische Eigenschaft bevorzugt mit einem Auslesegerät wie beispielsweise einer Kamera erfasst werden. Das Auslesegerät kann insbesondere als ein Handheld-Gerät für einen Benutzer ausgeführt sein. Bevorzugt umfasst das Auslesegerät einen QR-Code-Scanner und/oder einen Barcode-Scanner. Insbesondere umfasst das Auslesegerät bevorzugt einen Laser. Mit einem Laser und einem entsprechenden Sensor kann insbesondere ein Barcode ausgelesen werden. Insbesondere ist bevorzugt, dass in Schritt a) das auswertbare veränderliche Muster durch Erfassen einer optischen Eigenschaft des Phasenwechselmaterials erfasst wird. Das kann beispielsweise derart erfolgen, dass ein Bild einer Kamera aufgenommen wird. Aus dem Bild der Kamera kann beispielsweise eine Farbe des Phasenwechselmaterials als die eine optische Eigenschaft erfasst werden.
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Beispielsweise kann das auswertbare veränderliche Muster mit einem Barcode-Scanner an einer Supermarktkasse erfasst werden. Sofern der gescannte Barcode auf eine Temperaturüberschreitung hinweist, kann das entsprechende Produkt aussortiert werden. Damit kann insbesondere bestehende Infrastruktur verwendet werden. Es ist auch möglich, beispielsweise ein Handy als Auslesegerät zu verwenden (insbesondere, wenn auf dem Handy eine Software zum Auslesen eines QR-Codes und/oder eines Barcodes installiert ist). Damit können auch Verbraucher ohne Spezialhardware die Information des auswertbaren veränderlichen Musters auswerten.
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In Schritt b) wird das in Schritt a) erfasste auswertbare veränderliche Muster mit einem Referenzmuster verglichen. Das Referenzmuster kann beispielsweise in dem Auslesegerät gespeichert sein. Das Referenzmuster kann insbesonderere dem veränderlichen auswertbaren Muster im ersten oder zweiten Zustand des Phasenwechselmaterials entsprechen. Durch Vergleich des in Schritt b) erfassten Musters mit einem derartigen Referenzmuster kann in Schritt c) erkannt werden, ob das Phasenwechselmaterial im ersten oder zweiten Zustand vorliegt.
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In Schritt c) wird also anhand des Vergleichs aus Schritt b) erkannt, ob die Überschreitung eines festgelegten Schwellwertes erfolgt ist.
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Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: eine schematische Querschnittsansicht eines Temperaturdetektors,
- 2: eine Draufsicht auf einen Temperaturdetektor mit einem auswertbaren veränderlichen Muster in einem ersten Zustand, und
- 3: eine Draufsicht auf den Temperaturdetektor aus 2 mit dem auswertbaren veränderlichen Muster in einem zweiten Zustand.
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1 zeigt einen Temperaturdetektor 1 zur zeitlichen Überwachung einer Temperatur. Der Temperaturdetektor 1 ist auf eine (nur teilweise gezeigte) Produktverpackung 8 aufgeklebt. Der Temperaturdetektor 1 umfasst ein Phasenwechselmaterial 2. Das Phasenwechselmaterial 2 weist die Eigenschaft auf, dass es bei Überschreitung eines vorher festgelegten Schwellwertes aus einer amorphen Phase 3 in eine kristalline Phase 4 übergeht und sich in mindestens einer seiner optischen Eigenschaften verändert. Das Phasenwechselmaterial 2 ist auf Basis von Ge-Sb-Te Verbindungen ausgebildet. Das Phasenwechselmaterial 2 liegt in Form einer Schicht auf einem Trägersubstrat 11 vor. Zwischen dem Phasenwechselmaterial 2 und dem Trägersubstrat 11 ist eine Hitzeschutzschicht 10 vorgesehen, durch die das Trägersubstrat 11 vor einer Temperatureinwirkung geschützt sein kann. Auf der Schicht des Phasenwechselmaterials 2 ist eine Deckschicht 9 angeordnet, durch welche das Phasenwechselmaterial 2 vor äußeren Einflüssen geschützt sein kann.
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Eine Kristallisation des Phasenwechselmaterials 2 kann durch lokale Einwirkung mittels eines Lasers 5 aufgelöst werden. Die Einwirkung mittels des Lasers 5 ist durch eine gepunktete Linie dargestellt. Dort, wo mit dem Laser 5 lokal auf das Phasenwechselmaterial 2 eingewirkt worden ist, liegt das Phasenwechselmaterial 2 in der amorphen Phase 3 vor. Ansonsten liegt das Phasenwechselmaterial 2 in der kristallinen Phase 4 vor.
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Weiterhin umfasst der Temperaturdetektor 1 temperaturunabhängige Strukturen 7. Zwei der temperaturunabhängigen Strukturen 7 sind als Aufdruck 13 realisiert. Eine weitere der temperaturunabhängigen Strukturen 7 ist als eine Fehlstelle 12 ausgeführt. An der Fehlstelle 12 ist die Deckschicht 9 lokal durchbrochen und das Phasenwechselmaterial 2 lokal (insbesondere durch verdampfen) entfernt worden. Die Fehlstelle 12 kann insbesondere durch Einwirkung mit dem Laser 5 erzeugt worden sein. Die dabei verwendete Leistung des Lasers 5 ist bevorzugt insbesondere hinreichend groß, um die Deckschicht 9 zu durchbrechen. Diese Leistung ist bevorzugt insbesondere größer als die zum Überführen des Phasenwechselmaterials 2 aus der kristallinen Phase 4 in die amorphe Phase 3 verwendete Leistung.
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2 ist eine Draufsicht eines Temperaturdetektors 1 zur zeitlichen Überwachung einer Temperatur. Der Temperaturdetektor 1 ist insbesondere dazu eingerichtet, die Überschreitung des Schwellwertes innerhalb eines Überwachungszeitraums erkennbar zu machen. Der Temperaturdetektor 1 ist auf eine Produktverpackung 8 für ein zu überwachendes Produkt aufgeklebt. Der Temperaturdetektor 1 weist ein Phasenwechselmaterial 2 auf. Das Phasenwechselmaterial 2 liegt teilweise in einer amorphen Phase 3 und teilweise in einer kristallinen Phase 4 vor. In der amorphen Phase 3 ist das Phasenwechselmaterial 2 sichtbar (dargestellt durch schwarze Striche). In der kristallinen Phase 4 ist das Phasenwechselmaterial 2 nicht sichtbar (dargestellt durch eine weiße Fläche). Das Phasenwechselmaterial 2 ist derart auf dem Temperaturdetektor 1 angeordnet, dass ein auswertbares veränderliches Muster 6 gebildet wird. Zu dem auswertbaren veränderlichen Muster 6 tragen neben dem Phasenwechselmaterial 2 in der amorphen Phase 3 (in welcher das Phasenwechselmaterial 2 sichtbar ist) temperaturunabhängige Strukturen 7 bei. Das auswertbare veränderliche Muster 6 ist als ein Barcode ausgeführt. In der Darstellung der 2 befindet sich das auswertbare veränderliche Muster 6 in einem ersten Zustand, in dem das Phasenwechselmaterial 2 teilweise in der amorphen Phase 3 vorliegt. Der hier gezeigte erste Zustand kann insbesondere während eines Überwachungszeitraums vorliegen. Der Barcode in der hier gezeigten Form kodiert bevorzugt die Information, dass der Schwellwert (noch) nicht überschritten worden ist und/oder dass das Produkt in der Produktverpackung (noch) verwendet werden kann.
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3 zeigt den Temperaturdetektor 1 aus 2. Im Unterschied zu der Darstellung in 2 liegt hier das Phasenwechselmaterial 2 vollständig in der kristallinen Phase 4 vor. Ausgehend von 2 kann das Phasenwechselmaterial 2 insbesondere aufgrund einer Überschreitung des Schwellwertes kristallisiert sein, wodurch sich der in 3 gezeigte Zustand ergeben hat. Die Striche des Barcodes, die zuvor von dem Phasenwechselmaterial 2 in der amorphen Phase 3 gebildet wurden (siehe 2), sind nicht mehr sichtbar. Diese nicht mehr sichtbaren Striche des Barcodes sind als gepunktete Umrisse angedeutet. In der Darstellung der 3 befindet sich das auswertbare veränderliche Muster 6 in einem zweiten Zustand, in dem das Phasenwechselmaterial 2 vollständig in der kristallinen Phase 4 vorliegt. Der hier gezeigte zweite Zustand kann insbesondere vorliegen, wenn innerhalb des Überwachungszeitraums der Schwellwert überschritten worden ist. Der Barcode in der hier gezeigten Form kodiert bevorzugt die Information, dass der Schwellwert überschritten worden ist und/oder dass das Produkt in der Produktverpackung auszusortieren ist.
