EP1929261A1 - Temperatursensor - Google Patents

Temperatursensor

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Publication number
EP1929261A1
EP1929261A1 EP06762227A EP06762227A EP1929261A1 EP 1929261 A1 EP1929261 A1 EP 1929261A1 EP 06762227 A EP06762227 A EP 06762227A EP 06762227 A EP06762227 A EP 06762227A EP 1929261 A1 EP1929261 A1 EP 1929261A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature sensor
material layer
electrodes
substrate
sensor according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06762227A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Udo Weimar
Nicolae Barsan
Michael Wandel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eberhard Karls Universitaet Tuebingen
Original Assignee
Eberhard Karls Universitaet Tuebingen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eberhard Karls Universitaet Tuebingen filed Critical Eberhard Karls Universitaet Tuebingen
Publication of EP1929261A1 publication Critical patent/EP1929261A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K3/00—Thermometers giving results other than momentary value of temperature
    • G01K3/02—Thermometers giving results other than momentary value of temperature giving means values; giving integrated values
    • G01K3/04—Thermometers giving results other than momentary value of temperature giving means values; giving integrated values in respect of time
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/06—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using melting, freezing, or softening

Definitions

  • the invention relates to a temperature sensor which can be attached to any objects and over the permanently detectable whether heat has been supplied to an object beyond a certain level.
  • the object of the invention is to develop a temperature sensor which is simple to produce in large numbers, can be constructed inexpensively, is permanently functional, is easy to install on any objects, has a certain flexibility with respect to assembly and does not require its own energy source.
  • the object is achieved with a temperature sensor which has at least two spaced-apart electrodes and at least one material layer on a substrate, and wherein material from the material layer accumulates between the electrodes on the substrate as a function of the temperature acting on the material layer and / or changed.
  • the temperature sensor according to the invention has the significant advantage that it does not require any specific materials for the substrate or the necessary material layer. It is only important that one can perform a capacitance measurement and / or resistance measurement via the electrodes and that at a temperature change or certain amount of heat supply, which is not desired for the selected product, the material layer then undergoes a capacitive change and / or electrical resistance change measurably.
  • the change in capacitance and / or resistance is irreversible, so that it can be permanently proven whether the product provided with the temperature sensor according to the invention was exposed to an impermissible quantity of heat input.
  • the capacitance of the material layer between the electrodes or the electrical resistance also changes, if the Material layer is electrically conductive. If the change is linked to the temperature, its temperature value is to be detected, it can always be permanently demonstrated by means of a measurement whether the product was exposed to an unintended temperature by comparing the reference capacitance with the measured capacitance or by comparing measured electrical resistance values with one another.
  • the temperature sensor assembly does not require an energy source, temperature changes on a product provided with the temperature sensor can be permanently detected and the time limit of the measurement verification depends solely on the durability of the materials used to construct the temperature sensor.
  • the enrichment and / or the change in the material layer can be adjusted by exceeding the melting point of the material layer.
  • This has the advantage that material layers of which the melting point is known are applied to the substrate of the temperature sensor and, for example, an object exceeds a critical temperature and the melting point of the material layer likewise corresponds to this critical temperature, then the material layer becomes the aggregate state at this temperature and thus also their capacitive properties and their electrically conductive behavior. If this changed behavior or the changed properties is measured, then the degree of heat input into an article or its temperature load can be detected by performing a measurement on the temperature sensor according to the invention before a heat load and after a heat load.
  • the article provided with the temperature sensor according to the invention has not undergone any inadmissible supply of heat. Are those to be compared? The measurements are significantly different, it can be said with certainty that the tested item was exposed to an impermissible heat.
  • a wax from one of the following substances or from a combination of the following substances is used as the material layer.
  • These are substances whose melting point is between -33 ° and + 60 °.
  • Combinations of the substances specified here are also conceivable, so that melting points of substance combinations can be produced which lie between the values indicated.
  • the substances listed in the table below are only a selection and other substances can be selected which have, for example, by themselves a waxy behavior or which are additionally incorporated in base waxes or are.
  • Electrodes or electrode pairs are provided on the substrate. Different distances between the electrodes can be used to determine different heat quantity feeds.
  • At least one electrode has an extension of different length compared to the other electrodes formed on the substrate and / or if electrode pairs are arranged on the substrate in a series and / or parallel connection. This increases the possibilities of the measurements to be carried out. Valuations about the temperature load of an object can be given more differentiated.
  • the capacitive or electrically conductive behavior of the material layer used can also be changed.
  • the substrate of the temperature sensor according to the invention is preferably selected from glass or ceramic, if the temperature sensor according to the invention is to be used in an aggressive medium or in an aggressive atmosphere.
  • the substrate can also be a plastic carrier or a plastic film or other flexible materials can also be selected as carrier material for the material layer and the electrodes.
  • the temperature sensor according to the invention can also be mounted on curved surfaces in a simple manner. Thus, the temperature sensor can always be attached to an object where it is needed. Changes in the material layer in the temperature sensor according to the invention can be measured particularly easily if measuring surfaces for contacting a measuring and / or reading device are formed on the electrodes.
  • the material layer flows on the substrate in an aggregate state change of the material layer due to capillary forces in at least one formed on the substrate riser and at least one electrode is provided along both longitudinal and on both sides of the riser to the riser.
  • the temperature sensor is formed with riser tubes, into which a liquid material layer can flow, it is also possible to make a statement about the duration of the heat supply or the temperature radiation onto the temperature sensor. Namely, the riser pipes are made differently in cross-sectional diameter, the capillary forces acting in the riser tubes are different. In a narrow standpipe, liquid inflows or changes are stronger and faster to recognize than in risers with larger diameters.
  • the condition may occur that one or the other riser pipe is loaded with liquid and another riser tube still exhibits the original initial capacity behavior during a measurement ,
  • an electrically conductive metal powder and / or metallic particles can be mixed into the material layer, which are provided in the functional state of the temperature sensor locally without heat supply and limited to the surface on the substrate After the heat supply under the change of the state of aggregation of the material layer, the metal powder or the metallic particles with the liquid material layer are uniformly distributed between the electrodes.
  • the law of entropy is used, which remains minimally the same in a closed system but normally increases. This is especially the case with a temperature increase and with a heat supply.
  • the binding of the metallic particles or the electrically conductive particles by the liquefaction of the wax given by the particles are locally bound, so the particles distribute evenly between the electrodes and there may be a change in capacitance in the material layer or a modified electrical Conductive behavior of the material layer can be measured. If the product provided with the temperature sensor is cooled again, the electrically conductive particles are locally bound in the metal layer and fixed there. Due to the change of state or due to the local place changes of the particles, evidence can also be provided staggered in time whether a product was exposed to an inadmissible heat supply or to an impermissible temperature load.
  • the temperature sensor according to the invention can be permanently attached to a product which is to be temperature-monitored.
  • the electrically conductive particles are plastics, carbons or else the metallic metallic particles can be magnetized, then the
  • Particles in a predetermined distribution in the material layer of the temperature sensor then held over a magnetic strip if the temperature sensor should be exposed to an inadmissible temperature during storage or transport.
  • the temperature sensor according to the invention can be used in an RFID element and also integrated there. If the known technology of radio frequency identification is used, data can also be read from the temperature sensor without contact and without visual contact, and they can be stored accordingly.
  • the invention is achieved for producing a temperature sensor with subsequent production steps.
  • electrodes are applied to a substrate of glass, ceramic, plastic or plastic film. Subsequently, in a second step, the electrodes are embedded in a material layer of wax, consisting of the substances of Table 1 or of combinations of substances from Table 1, and then the material layer is cured in a production mold of the temperature sensor.
  • electrically conductive particles made of plastic, metal or carbon are introduced into the liquid or viscous wax layer in a third step, and also aligned locally. Subsequently, the material layer is cured. If such method steps are used, the temperature sensor according to the invention can be manufactured in a simple and cost-effective manner. If electrically conductive and magnetizable particles are used in the material layer, they can be aligned with an electromagnet.
  • the electrically conductive or magnetisable particles onto a material layer by means of an adhesive tape provided with metallic particles, by surface-depositing these particles stick to the tape.
  • the metal layer melts, the particles are transferred in the desired manner into the material layer. If the particles have been introduced into the liquid or viscous material layer, then this material layer is cured. The particles are then fixed locally in the material layer.
  • the temperature sensor according to the invention will be described in subsequent embodiments.
  • the illustrations shown in the figures are highly schematic and not to scale.
  • the temperature sensor according to the invention can be made very thin and also with respect to its total thickness very thin, by using components in film thickness for all process steps.
  • Fig. 1 is a plan view of a temperature sensor with a material layer having two electrodes on a substrate;
  • FIG. 2 shows a temperature sensor according to the invention in the ready state with a material layer in which electrically conductive particles are embedded;
  • FIG 3 shows a temperature sensor according to the invention in the activated state in which the material layer has liquefied.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a temperature sensor according to the invention with three electrodes
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a temperature sensor according to the invention with riser tubes; and 6 shows the layer structure of a temperature sensor according to the invention.
  • the first electrode 14 has a first measuring surface 15. Spaced apart from the first electrode 14, a second electrode 16 is arranged on the substrate, on which a second measuring surface 17 is formed.
  • the first and second electrodes 14, 16 are embedded in a material layer 18.
  • the first and second measuring surfaces 15, 17 are freely accessible to a reading device on the temperature sensor 10, so that capacitive changes in the material layer or changes in the electrical resistance of the material layer 18 can be measured via the electrodes 14, 16.
  • the material layer 18 is selected at the temperature sensor 10 to be tuned to a critical temperature of an article to which the temperature sensor 10 is attached. If the critical temperature on the object is exceeded, the capacitive behavior or the electrical behavior of the material layer 18 changes permanently. Time offset can thus be measured via the electrodes 14, 16, the different capacitive behavior or a differential resistance. If reference output values and measured values are different, this is the proof that the product provided with the temperature sensor 10 was exposed to an inadmissible heat input or temperature radiation.
  • FIG. 2 shows a temperature sensor 20 with a substrate 22, on which a first electrode 24 with a first measuring surface 25 is arranged. Locally spaced a second electrode 26 is arranged with a second measuring surface 27 on the substrate 22.
  • the electrodes 24, 26 are embedded in a material layer and in the region of an electrode 26 metallic particles 29 are arranged.
  • the metallic particles 29 are fixed in a waxy material layer 28 because the material layer 28 is solid and cured in the state shown in FIG.
  • the response of the temperature sensor 20 may be adjusted over a distance 29 'by embedding the metallic particle concentration at different distances from the first electrode 24.
  • the metallic particles 29 can move in the liquid material layer 28, following the findings of entropy, and a distribution, as shown by way of example in FIG. 3, arises.
  • the state changes of the material layer 28 and the different distribution of the metallic particles 29 can be detected via the measuring surfaces 25, 27 via a change in resistance.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a temperature sensor 30 having a substrate 32 and a first electrode 34 with a first measuring surface 35, a second electrode 36 and a second measuring surface 37, as they are embedded in a material layer 38.
  • Metallic particles 39 are concentrated at the second electrode 36 in the hardened material layer 38 incorporated.
  • a third electrode 41 with a third measuring surface 42 is likewise embedded in the material layer 38. If electrically conductive state changes between the electrodes 36, 41 on the one hand and 36, 34 on the other hand are measured, the duration of a heat input into the temperature sensor 30 can also be detected via the temperature sensor 30.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of an inventive
  • Temperature sensor 50 with a substrate 52, on which electrode pairs 54, 55, 56, 57 and electrode pairs 58, 59 are arranged. On the
  • Substrate 52 is formed a material layer 61, which in a Aggregate state change from the solid to the liquid form in risers 63, 65, 67 can flow.
  • a change in capacitance 69 can be used to ascertain whether a layer of material in liquefied form has flowed into the riser pipes 63, 65, 67 into the region of the electrode pairs and possibly has solidified there again.
  • FIG. 6 shows the production of a temperature sensor 70 according to the invention with a substrate 72, on which electrodes 74, 76 are embedded, which are embedded in a material layer 78.
  • Electrically conductive particles 79 made of metal, plastic or carbon are identified by the reference numeral 79. If the particles 79 are magnetizable, they can be aligned via magnets within the material layer 78 as long as the material layer 78 has not yet cured.
  • a film-like substrate 72 is placed on a Peltier element 81.
  • the electrodes 74, 76 are brought. If the material layer 78 is applied in liquid phase to the substrate and the electrodes 74, 76, then the particles 79 can be locally positioned on the substrate 72 via an electromagnet. After positioning, the material layer 78 is cured and the temperature sensor can be used as described according to the invention.
  • a temperature sensor 10 which is suitable for attachment to or on objects of all kinds, at least two spaced-apart electrodes 14, 16 and at least one material layer 18 are arranged on a substrate 12.
  • the material layer 18 is formed between the electrodes 14, 16, wherein the material layer 18 changes depending on the temperature acting on the material layer 18 or it accumulates in different Form between the electrodes 14, 16 at.
  • the temperature sensor 10 does not require an energy source and material changes of the material layer 18 can be measured via the electrodes 14, 16.

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Abstract

Bei einem Temperatursensor (10), der zum Befestigen an oder auf Gegenständen aller Art geeignet ist, sind auf einem Substrat (12) mindestens zwei voneinander beabstandete Elektroden (14, 16) und mindestens eine Materialschicht (18) angeordnet. Die Materialschicht (18) ist zwischen den Elektroden (14, 16) ausgebildet, wobei sich die Materialschicht in Abhängigkeit von der auf die Materialschicht (18) wirkende Temperatur verändert oder sie reichert sich in unterschiedlicher Form zwischen den Elektroden (14, 16) an. Der Temperatursensor (10) benötigt keine Energiequelle und Materialveränderungen der Materialschicht (18) können über die Elektroden (14, 16) gemessen werden.

Description

Temperatursensor
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor, der an beliebigen Gegenständen angebracht werden kann und über den dauerhaft nachweisbar ist, ob einem Gegenstand über ein bestimmtes Maß hinaus Wärme zugeführt worden ist.
Bei zahlreichen Gegenständen ist es heute wichtig zu wissen, ob sie auf ihrem Weg von der Fertigung bis zu ihrem Einsatz so behandelt, d. h. zum Beispiel verpackt, gelagert, transportiert worden sind, dass ihre ursprüngliche Qualität und erwartete Wirkungsweisen keinen Schaden genommen haben. Der Temperatureinfluss ist bei vielen Produkten für deren Qualität und/oder Wirkungsweise entscheidend, sodass es von größtem Interesse eines Nutzers, Verwenders ist, zu wissen, ob das ihm zur Verfügung gestellte Produkt auf dem Weg von der Fertigung bis zum Einsatz temperatursicher behandelt wurde. Viele Lebensmittel erfahren durch eine unzulässige Wärmezufuhr eine Qualitätsverschlechterung, Arzneimittel möglicherweise ihre Wirksamkeit und Präzisionsbauteile können ihre Maßgenauigkeit verlieren. Deshalb ist es bedeutsam, vor allem bei Massengütern zu wissen, ob das einzelne Produkt fachgerecht behandelt wurde, bevor es seinem bestimmungsgemäßen Gebrauch zugeführt wird. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Temperatursensor zu entwickeln, der in großen Stückzahlen einfach herzustellen ist, kostengünstig gebaut werden kann, dauerhaft funktionstüchtig ist, an beliebigen Gegenständen einfachst anzubringen ist, eine gewisse Flexibilität be- züglich der Montage aufweist und keine eigene Energiequelle benötigt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Temperatursensor gelöst, der auf einem Substrat mindestens zwei voneinander beabstandete Elektroden und mindestens eine Materialschicht aufweist, und wobei zwischen den Elektroden auf dem Substrat sich Material aus der Materialschicht in Abhängigkeit von der auf die Materialschicht wirkende Temperatur anreichert und/oder verändert.
Der erfindungsgemäße Temperatursensor hat den wesentlichen Vorteil, dass er keine bestimmten Materialien für das Substrat oder die notwendige Materialschicht benötigt. Wichtig ist allein, dass man über die Elektroden eine Kapazitätsmessung und/oder Widerstandsmessung durchführen kann und dass bei einer Temperaturänderung oder gewissen Wärmezufuhrmenge, die für das ausgewählte Produkt nicht gewünscht ist, die Materialschicht dann eine kapazitive Veränderung und/oder eine elektrische Widerstandsveränderung messbar erfährt. Die Kapazitäts- und/oder Widerstandsveränderung ist irreversibel, sodass dauerhaft nachgewiesen werden kann, ob das mit dem erfindungsgemäßen Temperatursensor versehene Produkt einer unzulässigen Wär- mezufuhrmenge ausgesetzt war. Wird beispielsweise eine erhöhte Materialschicht aus Wachs in der Mitte zwischen den Elektroden ausgebildet und wird die Materialschicht so ausgewählt, dass sie sich im für das Produkt unzulässigen Temperaturbereich verändert, so verändert sich auch die Kapazität der Materialschicht zwischen den Elektroden oder der elektrische Widerstand, sofern die Materialschicht elektrisch leitfähig ist. Ist die Änderung an die Temperatur gekoppelt, deren Temperaturwert nachgewiesen werden soll, so kann dauerhaft über eine Messung immer nachgewiesen werden, ob das Produkt einer nicht vorgesehenen Temperatur ausgesetzt war, indem man die Referenzkapazität mit der gemessenen Kapazität vergleicht oder indem man gemessene elek- trische Widerstandswerte miteinander vergleicht.
Nachdem der Temperatursensoraufbau keine Energiequelle benötigt, können Temperaturveränderungen an einem mit dem Temperatursensor versehenen Produkt dauerhaft nachgewiesen werden und die zeitliche Unbegrenztheit des Messnachweises ist einzig und allein von der Beständigkeit der Materialien abhängig, die für den Aufbau des Temperatursensors verwendet wurden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Anreicherung und/oder die Veränderung der Materialschicht durch eine Überschreitung des Schmelzpunktes der Materialschicht einstellen lässt. Dies hat den Vorteil, dass Materialschichten, von denen man den Schmelzpunkt kennt, auf das Substrat des Temperatursensors aufgebracht werden und überschreitet beispielsweise ein Gegenstand eine kritische Temperatur und entspricht der Schmelzpunkt der Materialschicht ebenfalls dieser kritischen Temperatur, so wird bei dieser Temperatur die Materialschicht den Aggregatzustand verändern und somit auch ihre kapazitiven Eigenschaften bzw. ihr elektrisches leitfähiges Verhalten. Wird dieses veränderte Verhalten bzw. die veränderten Eigenschaften gemessen, so kann das Maß einer Wärmezufuhr in einen Gegenstand bzw. dessen Temperaturbelastung nachgewiesen werden, indem man eine Messung am erfindungsgemäßen Temperatursensor vor einer Wärmebelastung und nach einer Wärmebelastung durchführt. Sind die gemessenen Werte gleich bzw. liegen sie in einem erlaubten Schwankungsbereich, so hat der mit dem erfindungsgemäßen Temperatursensor versehene Gegenstand keine unzulässige Wärmezufuhr erfahren. Sind die zu vergleichen- den Messwerte signifikant unterschiedlich, so kann mit Sicherheit die Aussage gemacht werden, dass der geprüfte Gegenstand einer unzulässigen Wärmezufuhr ausgesetzt war.
Vorteilhaft ist es, wenn als Materialschicht ein Wachs aus einer der nachfolgenden Substanzen oder aus einer Kombination der nachfolgenden Substanzen eingesetzt wird. Hierbei handelt es sich um Substanzen, deren Schmelzpunkt zwischen -33° und +60° liegt. Denkbar sind auch Kombinationen der hier angegebenen Substanzen, sodass Schmelzpunkte von Substanzkombinationen hergestellt werden können, die zwischen den angegebenen Werten liegen. Die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Substanzen sind nur eine Auswahl und weitere Substanzen können ausgewählt werden, die beispielsweise von selbst ein wachshaltiges Verhalten aufweisen oder die zusätzlich in Basiswachse eingearbeitet werden bzw. sind.
Temoeratursensorik mit Memorveffekt
Zur Verfeinerung der zu messenden Zustände, denen ein mit dem Temperatursensor bestückter Gegenstand ausgesetzt war, sind mehrere Elektroden oder Elektrodenpaare auf dem Substrat vorgesehen. Über unterschiedliche Beabstandungen der Elektroden untereinander können unterschiedliche Wärmemengenzufuhren bestimmt werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn bei mehr als zwei Elektroden mindestens eine Elektrode eine unterschiedlich lange Erstreckung im Vergleich zu den anderen auf dem Substrat ausgebildeten Elektroden aufweist und/oder bei Elektrodenpaaren die Elektrodenpaare auf dem Substrat in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung angeordnet sind. Dies erhöht die Möglichkeiten der durchzuführenden Messungen. Wertungen über die Temperaturbelastung eines Gegenstandes können differenzierter abgegeben werden.
Wird die Dicke der Materialschicht verändert, so kann auch das kapazitive bzw. elektrisch leitende Verhalten der eingesetzten Materialschicht verändert werden.
Das Substrat des erfindungsgemäßen Temperatursensors ist bevorzugt aus Glas oder Keramik zu wählen, wenn der erfindungsgemäße Temperatursensor in einem aggressiven Medium bzw. in einer aggressiven Atmosphäre eingesetzt werden soll. Das Substrat kann aber auch ein Kunststoffträger oder eine Kunststofffolie sein oder aber es lassen sich auch andere flexible Materialien als Trägermaterial für die Materialschicht und die Elektroden auswählen.
Sind die Elektroden und die Materialschicht flexibel ausgestaltet, beispielsweise durch eine Kunststofffolie, die das Substrat bildet, so lässt sich der erfindungsgemäße Temperatursensor einfachst auch auf gekrümmten Flächen anbringen. Somit kann der Temperatursensor immer dort an einem Gegenstand angebracht werden, wo er benötigt wird. Besonders einfach lassen sich Veränderungen der Materialschicht beim erfindungsgemäßen Temperatursensor dann messen, wenn an den Elektroden Messflächen zur Kontaktierung für ein Mess- und/oder Lesegerät ausgebildet sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung strömt die Materialschicht auf dem Substrat bei einem Aggregatzustandswechsel der Materialschicht aufgrund von Kapillarkräften in mindestens ein auf dem Substrat ausgebildetes Steigrohr ein und mindestens eine Elektrode ist jeweils längs und beidseits des Steigrohres an dem Steigrohr vorgesehen. Wird der Temperatursensor mit Steigrohren ausgebildet, in die eine flüssige Materialschicht einströmen kann, so kann auch eine Aussage über die Dauer der Wärmezufuhr bzw. der Temperatureinstrahlung auf den Temperatursensor gemacht werden. Werden nämlich die Steigrohre unterschiedlich im Querschnittsdurchmesser ausgeführt, so sind die in den Steigrohren wirkenden Kapillarkräfte unterschiedlich. In einem engen Steigrohr sind Flüssigkeitseinströmungen bzw. Änderungen stärker und schneller zu erkennen als in Steigrohren mit größeren Durchmessern. Werden in den Steigrohren in vergleichbaren Höhen beidseits der Steigrohre Elektroden angeordnet und sind ausschließlich die Durchmesser der Steigrohre unterschiedlich, so kann der Zustand eintreten, dass das eine oder andere Steigrohr mit Flüssigkeit beladen ist und ein anderes Steigrohr weist bei einer Messung noch das ursprüngliche Ausgangskapazitätsverhalten auf.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperatursensors kann in die Materialschicht ein elektrisch leitendes Metallpulver und/oder metallische Partikel eingemischt werden, die im funk- tionsbereiten Zustand des Temperatursensors ohne Wärmezufuhr örtlich und in der Fläche begrenzt auf dem Substrat vorgesehen sind, wobei sich nach der Wärmezufuhr unter dem Wechsel des. Aggregatzustandes der Materialschicht das Metallpulver oder die metallischen Partikel mit der flüssigen Materialschicht zwischen den Elektroden gleichmäßig verteilen. In diesem Fall wird die Gesetzmäßigkeit der Entropie genutzt, die in einem geschlossenen System minimal gleich bleibt, normalerweise aber steigt. Dies ist vor allem der Fall bei einer Temperaturerhöhung und bei einer Wärmezufuhr. Wird die Bindung der metallischen Partikel bzw. der elektrisch leitenden Partikel durch die Verflüssigung des Wachses aufgegeben, indem die Partikel örtlich ge- bunden sind, so verteilen sich die Partikel gleichmäßig zwischen den Elektroden und es kann eine Kapazitätsveränderung in der Materialschicht bzw. ein verändertes elektrisches leitfähiges Verhalten der Materialschicht gemessen werden. Wird das mit dem Temperatursensor versehene Produkt wieder abgekühlt, so werden die elektrisch leitenden Partikel örtlich so in die Metallschicht eingebunden und dort fixiert. Durch die erfolgte Zustandsänderung bzw. durch die örtlichen Platzwechsel der Partikel kann auch zeitlich versetzt der Nachweis geführt werden, ob ein Produkt einer unzulässigen Wärmezufuhr oder einer unzulässigen Temperaturbelastung ausgesetzt war.
Wird in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auf dem Substrat auf der zu den Elektroden diametralen Flächen eine selbstklebende Beschichtung aufgebracht, so kann der erfindungsgemäße Temperatursensor einfachst auf einem Produkt, das temperaturüberwacht werden soll, dauerhaft befestigt werden.
Sind die elektrisch leitenden Partikel Kunststoffe, Kohlenstoffe oder aber sind die metallischen metallische Partikel magnetisierbar, so können die
Partikel in einer vorgegebenen Verteilung in der Materialschicht des Temperatursensors auch dann über einen Magnetstreifen gehalten werden, wenn der Temperatursensor einer unzulässigen Temperatur bei der Lagerung oder beim Transport ausgesetzt werden sollte.
Weiterhin kann der erfindungsgemäße Temperatursensor in einem RFID-Element eingesetzt und auch dort integriert werden. Wird auf die bekannte Technologie der Radio-Frequency-Identification zurückgegriffen, so lassen sich auch Daten berührungslos und ohne Sichtkontakt aus dem Temperatursensor auslesen und sie können entsprechend gespeichert werden.
Bezüglich eines Verfahrens wird die Erfindung zur Herstellung eines Temperatursensors mit nachfolgenden Herstellungsschritten gelöst.
Erstens werden Elektroden auf ein Substrat aus Glas, Keramik, Kunststoff oder Kunststofffolie aufgebracht. Anschließend werden in einem zweiten Arbeitsschritt die Elektroden in eine Materialschicht aus Wachs, bestehend aus den Substanzen der Tabelle 1 bzw. aus Kombinationen von Substanzen aus der Tabelle 1 eingebettet und anschließend wird die Materialschicht bei einer Herstellungsform des Temperatur- sensors ausgehärtet. In einer anderen Ausführungsform werden in die flüssige bzw. viskose Wachsschicht in einem dritten Arbeitsschritt noch elektrisch leitfähige Partikel aus Kunststoff, Metall oder Kohlenstoff eingebracht und auch lokal ausgerichtet. Anschließend wird die Materialschicht ausgehärtet. Werden derartige Verfahrensschritte ange- wendet, so kann einfachst und kostengünstig der erfindungsgemäße Temperatursensor hergestellt werden. Werden elektrisch leitfähige und magnetisierbare Partikel in der Materialschicht eingesetzt, so können diese mit einem Elektromagneten ausgerichtet werden. Ebenfalls ist es auch denkbar, dass man über ein mit metallischen Partikeln versehenes Klebeband, die elektrisch leitfähigen bzw. magnetisierbaren Partikel auf eine Materialschicht bringt, indem diese Partikel oberflächenlagernd auf dem Klebeband haften. Beim Anschmelzen der Metallschicht werden die Partikel in gewünschter Weise in die Materialschicht transferiert. Sind die Partikel in die flüssige bzw. viskose Materialschicht eingebracht worden, so wird diese Materialschicht ausgehärtet. Die Partikel sind dann örtlich in der Materialschicht fixiert.
Der erfindungsgemäße Temperatursensor wird in nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Die gezeigten Darstellungen in den Figuren sind stark schematisiert und nicht maßstäblich zu verstehen. Der erfindungsgemäße Temperatursensor kann sehr kleinflächig und auch bezüglich seiner Gesamtdicke sehr dünn ausgebildet sein, indem für alle Verfahrensschritte Komponenten in Folienstärke eingesetzt werden.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Temperatursensor mit einer Materialschicht, die zwei Elektroden auf einem Substrat aufweist;
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Temperatursensor im funktions- bereiten Zustand mit einer Materialschicht, in die elektrisch leitfähige Partikel eingebettet sind;
Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Temperatursensor im aktivierten Zustand, in dem sich die Materialschicht verflüssigt hat;
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Temperatursensors mit drei Elektroden;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tem- peratursensors mit Steigrohren; und Fig. 6 den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Temperatursensors.
Fig. 1 zeigt einen Temperatursensor 10 mit einem Substrat 12, auf das eine erste Elektrode 14 aufgebracht ist. Die erste Elektrode 14 weist eine erste Messfläche 15 auf. Beabstandet von der ersten Elektrode 14 ist auf dem Substrat eine zweite Elektrode 16 angeordnet, an der eine zweite Messfläche 17 ausgebildet ist. Die erste und zweite Elektrode 14, 16 sind in eine Materialschicht 18 eingebettet. Die ersten und zweiten Messflächen 15, 17 sind für ein Lesegerät am Temperatursensor 10 frei zugänglich, sodass kapazitive Veränderungen der Materialschicht bzw. Veränderungen des elektrischen Widerstandes der Materialschicht 18 über die Elektroden 14, 16 gemessen werden können. Die Materialschicht 18 wird bei dem Temperatursensor 10 so ausgewählt, dass sie auf eine kritische Temperatur eines Gegenstandes abgestimmt ist, an dem der Temperatursensor 10 angebracht ist. Wird die kritische Temperatur an dem Gegenstand überschritten, so verändert sich das kapazitive Verhalten bzw. das elektrische Verhalten der Materialschicht 18 dauerhaft. Zeitlich versetzt kann somit über die Elektroden 14, 16 das unterschiedliche kapazitive Verhalten bzw. ein Differenzwiderstand gemessen werden. Sind Referenzausgangswerte und gemessene Werte unterschiedlich, so ist dies der Nachweis, dass das mit dem Temperatursensor 10 versehene Produkt einer unzulässigen Wärmezufuhr bzw. Temperatureinstrahlung ausgesetzt war.
Fig. 2 zeigt einen Temperatursensor 20 mit einem Substrat 22, auf dem eine erste Elektrode 24 mit einer ersten Messfläche 25 angeordnet ist. Örtlich beabstandet ist eine zweite Elektrode 26 mit einer zweiten Messfläche 27 auf dem Substrat 22 angeordnet. Die Elektroden 24, 26 sind in eine Materialschicht eingebettet und im Bereich einer Elektrode 26 sind metallische Partikel 29 angeordnet. Die metallischen Partikel 29 sind in einer wachsartigen Materialschicht 28 fixiert, weil die Mate- rialschicht 28 im in der Fig. 2 gezeigten Zustand fest und ausgehärtet ist. Das Ansprechverhalten des Temperatursensors 20 kann über einen Abstand 29' eingestellt werden, indem die metallische Partikelkon- zentration unterschiedlich beabstandet von der ersten Elektrode 24 eingebettet wird. Schmilzt die Materialschicht 28 auf, so können die metallischen Partikel 29 den Erkenntnissen der Entropie folgend sich in der flüssigen Materialschicht 28 bewegen und es stellt sich eine Verteilung ein, wie sie beispielhaft in Fig. 3 gezeigt ist. Über die Messflächen 25, 27 lassen sich die Zustandsveränderungen der Materialschicht 28 und die unterschiedliche Verteilung der metallischen Partikel 29 über eine Widerstandsveränderung erfassen.
In Fig. 3 ist zwischen den Elektroden 24, 26 ein Stromfluss möglich.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildung eines Temperatursensors 30 mit einem Substrat 32 und einer ersten Elektrode 34 mit einer ersten Messfläche 35, einer zweiten Elektrode 36 und einer zweiten Messfläche 37, wie sie in eine Materialschicht 38 eingebettet sind. Metallische Partikel 39 sind an der zweiten Elektrode 36 konzentriert in die ausgehärtete Materialschicht 38 eingebunden. Eine dritte Elektrode 41 mit einer dritten Messfläche 42 ist ebenfalls in die Materialschicht 38 eingebettet. Werden nun elektrisch leitende Zustandsveränderungen zwischen den Elektroden 36, 41 einerseits und 36, 34 andererseits gemessen, so kann über den Temperatursensor 30 auch die Dauer einer Wärmezufuhr in den Temperatursensor 30 erfasst werden.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Temperatursensors 50 mit einem Substrat 52, auf dem Elektrodenpaare 54, 55, 56, 57 und Elektrodenpaare 58, 59 angeordnet sind. Auf dem
Substrat 52 ist eine Materialschicht 61 ausgebildet, die bei einem Aggregatzustandswechsel von der festen in die flüssige Form in Steigrohre 63, 65, 67 einströmen kann. Das Einströmen der verflüssigten Materialschicht 61 erfolgt über Kapillarkräfte. Über eine Kapazitätsänderung 69 kann festgestellt werden, ob eine Materialschicht in verflüssigter Form in die Steigrohre 63, 65, 67 in den Bereich der Elektrodenpaare eingeströmt ist und sich dort möglicherweise wieder verfestigt hat.
Fig. 6 zeigt die Herstellung eines erfindungsgemäßen Temperatur- sensors 70 mit einem Substrat 72, auf dem Elektroden 74, 76 aufliegen, die in eine Materialschicht 78 eingebettet sind. Elektrisch leitende Partikel 79 aus Metall, Kunststoff oder Kohlenstoff sind mit dem Bezugszeichen 79 gekennzeichnet. Sind die Partikel 79 magnetisierbar, so können sie über Magnete innerhalb der Materialschicht 78 ausgerichtet werden, solange die Materialschicht 78 noch nicht ausgehärtet ist.
Auf ein Peltierelement 81 wird ein folienartiges Substrat 72 aufgelegt. Auf dieses Substrat 72 werden die Elektroden 74, 76 gebracht. Wird die Materialschicht 78 in flüssiger Phase auf das Substrat und die Elek- troden 74, 76 aufgebracht, so lassen sich die Partikel 79 über einen Elektromagneten auf dem Substrat 72 örtlich positionieren. Nach der Positionierung wird die Materialschicht 78 ausgehärtet und der Temperatursensor ist wie erfindungsgemäß beschrieben einsetzbar.
Bei einem Temperatursensor 10, der zum Befestigen an oder auf Gegenständen aller Art geeignet ist, sind auf einem Substrat 12 mindestens zwei voneinander beabstandete Elektroden 14, 16 und mindestens eine Materialschicht 18 angeordnet. Die Materialschicht 18 ist zwischen den Elektroden 14, 16 ausgebildet, wobei sich die Mate- rialschicht 18 in Abhängigkeit von der auf die Materialschicht 18 wirkende Temperatur verändert oder sie reichert sich in unterschiedlicher Form zwischen den Elektroden 14, 16 an. Der Temperatursensor 10 benötigt keine Energiequelle und Materialveränderungen der Materialschicht 18 können über die Elektroden 14, 16 gemessen werden.

Claims

P a t e n t a n s o r ü c h e
1. Temperatursensor (10; 20; 30; 50; 70) zum Befestigen an oder auf Gegenständen aller Art, wobei der Temperatursensor (10; 20; 30; 50; 70) auf einem Substrat (12; 22; 32; 52; 72) mindestens zwei voneinander beabstandete
Elektroden (14, 16; 24, 26; 34, 36, 41; 54, 55, 56, 57, 58, 59; 74, 76) und mindestens eine Materialschicht (18; 28; 38; 61; 78) aufweist, und wobei zwischen den Elektroden (14, 16; 24, 26; 34, 36, 41 ; 54, 55, 56, 57, 58, 59; 74, 76) auf dem Substrat (12; 22; 32; 52; 72) sich Material aus der
Materialschicht (18; 28; 38; 61 ; 78) in Abhängigkeit von der auf die Materialschicht (18; 28; 38; 61; 78) wirkende Temperatur anreichert und/oder verändert.
2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anreicherung und/oder die Veränderung der Materialschicht (18; 28; 38; 61; 78) durch eine Überschreitung des Schmelzpunktes der Materialschicht (18; 28; 38; 61; 78) einstellt.
3. Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialschicht (18; 28; 38; 61 ; 78) ein Wachs aus einer der nachfolgenden Substanzen oder aus einer Kombination der nachfolgenden oder anderer ver- gleichbarer Substanzen 1,1,1-Trichlorethan
Nitromethan
DL-Limonen o-Xylol 1-Octen
Glykol
Cycloheptan
Nonanol
1-Chlonaphtalin Cyclohexan
Cyclodekan
Cyclononan p-Xylol
Cyclooctan 1,2,4-Trichlorbenzol
Acetophenon
Heptadecan
Heptandiol
Cyclohexanon Tert-Butanol
2-Hexandecanol
1,2,3-Trichlorbenzol
Hexandiol
vorgesehen ist.
4. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elektroden (34, 36, 41) oder Elektrodenpaare (54, 55, 56, 57, 58, 59) auf dem Substrat (32; 52) vorgesehen sind.
5. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Beabstandung der Elektroden (14, 16; 24, 26; 34, 36, 41) auf dem Substrat (12; 22; 32) veränderbar ist.
6. Temperatursensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehr als zwei Elektroden (34, 36, 41) mindestens eine Elektrode (41) eine unterschiedlich lange Erstreckung im Vergleich zu den anderen auf dem Substrat (32) ausgebildeten Elektroden (34, 36) aufweist, und/oder dass bei Elektrodenpaaren (54, 55, 56, 57, 58, 59) die Elektrodenpaare (54, 55, 56, 57, 58, 59) auf dem Substrat (52) in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung angeordnet sind.
7. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Materialschicht (18; 28; 38; 61; 78) veränderbar ist.
8. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12; 22; 32; 52; 72) aus Glas, Keramik, Kunststoff, einer Kunststofffolie oder aus einem anderen flexiblen Material besteht.
9. Temperatursensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (14, 16) und die Materialschicht (18) bei einem Substrat (12) aus Kunststofffolie oder aus einem anderen Material flexibel ausgebildet sind.
10. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Elektroden (14, 16; 24, 26; 34, 36, 41) Messflächen (15, 17; 25, 27; 35, 37, 42) zur Kontaktierung mit einem Mess- und/oder Lesegerät vor- gesehen sind.
11. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in die Materialschicht (61) auf dem Substrat (52) beim Aggregatszustandswechsel der Ma- terialschicht (61) aufgrund von Kapiliarkräften in mindestens ein auf dem Substrat (52) ausgebildetes Steigrohr (63, 65, 67) einströmt und mindestens eine Elektrode (54, 55, 56, 57, 58, 59) jeweils längs und beidseits des Steigrohres (63, 65, 67) vorgesehen ist.
12. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in die Materialschicht (28; 38; 78) elektrisch leitendes Metallpulver und/oder metallische Partikel (29; 39; 79) eingebracht sind, die im funktions- bereiten Zustand des Temperatursensors (20; 30; 70) ohne
Wärmezufuhr örtlich und in der Fläche begrenzt auf dem Substrat (22; 32; 72) vorgesehen sind und dass nach der Wärmezufuhr unter dem Wechsel des Aggregatzustandes der Materialschicht (28; 38; 78) das Metallpulver oder die metallischen Partikel (29; 39; 79) mit der Materialschicht
(28; 38; 78) zwischen den Elektroden (24, 26; 34, 36, 41; 74, 76) verteilt sind.
13. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12; 22; 32; 52; 72) auf der zu den Elektroden diametralen Fläche eine selbstklebende Beschichtung aufweist.
14. Temperatursensor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver und/oder die metallischen Partikel (29; 39; 79) magnetisierbar sind.
15. Temperatursensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Materialschicht (28; 38; 78) ein Magnetstreifen abziehbar vorgesehen ist.
16. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da- durch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (10; 20;
30; 50; 70) in ein RFID-Element integriert ist.
17. Herstellungsverfahren eines Temperatursensors (70) mit nachfolgenden Herstellungsschritten :
a) Aufbringung von Elektroden (74, 76) auf ein Substrat (72) aus Glas, Keramik, Kunststoff, Kunststofffolie;
b) Einbettung der Elektroden (74, 76) in eine Materialschicht (78) aus Wachs bestehend aus Substanzen nach Anspruch 3; c) Aushärtung des flüssigen oder viskosen Wachses nach Arbeitsschritt b) oder zuvor noch Einbringung und lokale Ausrichtung von Metallpulver und/oder metallischen Partikeln (79) im noch viskosen oder flüssigen Wachs und anschließende Aushärtung der wachsartigen Materialschicht (78).
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung des Metallpulvers und/oder der metallischen Partikel (79) mit einem Elektromagneten (82) erfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung des Metallpulvers und/oder der metallischen Partikel (79) in die Materialschicht (78) über ein mit dem Metallpulver und/oder den metallischen Partikeln (79) benetztes Klebeband erfolgt, das beim Aufschmelzen der Materialschicht (78) das Metallpulver bzw. die metallischen Partikel (79) an die Materialschicht (78) abgibt.
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