FI20185523A1 - Sähkökemiallinen indikaattori ja menetelmä sähkökemiallisen indikaattorin valmistamiseksi - Google Patents

Sähkökemiallinen indikaattori ja menetelmä sähkökemiallisen indikaattorin valmistamiseksi Download PDF

Info

Publication number
FI20185523A1
FI20185523A1 FI20185523A FI20185523A FI20185523A1 FI 20185523 A1 FI20185523 A1 FI 20185523A1 FI 20185523 A FI20185523 A FI 20185523A FI 20185523 A FI20185523 A FI 20185523A FI 20185523 A1 FI20185523 A1 FI 20185523A1
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
indicator
cells
cell
electrode
indicator according
Prior art date
Application number
FI20185523A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI130414B (fi
Inventor
Timo Peltoniemi
Timo Tarvainen
Original Assignee
Elcoflex Oy
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 Elcoflex Oy filed Critical Elcoflex Oy
Priority to FI20185523A priority Critical patent/FI130414B/fi
Priority to PCT/FI2019/050437 priority patent/WO2019234304A1/en
Priority to EP19742409.6A priority patent/EP3803361A1/en
Publication of FI20185523A1 publication Critical patent/FI20185523A1/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI130414B publication Critical patent/FI130414B/fi

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F1/00—Apparatus which can be set and started to measure-off predetermined or adjustably-fixed time intervals without driving mechanisms, e.g. egg timers
    • G04F1/005—Apparatus which can be set and started to measure-off predetermined or adjustably-fixed time intervals without driving mechanisms, e.g. egg timers using electronic timing, e.g. counting means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/305—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells optically transparent or photoresponsive electrodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0204—Compact construction
    • G01J1/0209—Monolithic
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0233—Handheld
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/429—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to measurement of ultraviolet light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/48—Photometry, e.g. photographic exposure meter using chemical effects
    • G01J1/50—Photometry, e.g. photographic exposure meter using chemical effects using change in colour of an indicator, e.g. actinometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • 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
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F13/00—Apparatus for measuring unknown time intervals by means not provided for in groups G04F5/00 - G04F10/00
    • G04F13/04—Apparatus for measuring unknown time intervals by means not provided for in groups G04F5/00 - G04F10/00 using electrochemical means
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K19/00—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings
    • G06K19/06—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
    • G06K19/067—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
    • G06K19/07—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/24—Alkaline accumulators
    • H01M10/32—Silver accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/441—Methods for charging or discharging for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/488—Cells or batteries combined with indicating means for external visualization of the condition, e.g. by change of colour or of light density
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14—Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/18—Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0247—Details using a charging unit
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J2001/0257—Details portable
    • G01J2001/0261—Pocket size; Card size
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/54—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of silver
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

Esillä olevassa keksinnössä esitellään sähkökemiallinen indikaattori, jossa on mukana lämpötilalle, UV-säteilylle, kosteudelle tai paineelle herkkä komponentti, kuten termistori (21), lisäksi kytkin (31, 110, 113, 140) ja haluttu määrä sähkökemiallisia kennoja (22, 22a–e) eli pareja rinnan tai sarjassa sopivine vastuksineen (21, 23, 25, 32a–e, 41a–d, 91), ja transistori (24). Yksi kenno muodostuu anodista (62, 125b, 133), katodista (51-54, 61, 125a, 132, 132a–e) ja elektrolyytistä (17, 127) sopivalla alustalla, ja järjestely on painettavasti valmistettavissa ja kennot (22, 22a–e) ladattavissa valmistusvaiheen yhteydessä. Jommallekummalle elektrodille järjestetään visuaalinen näköyhteys ulkoa päin. Kun indikaattori kokee esimerkiksi korkeaa lämpötilaa tai UV-säteilyannosta riittävän pitkään, kemiallinen reaktio muuttaa näkyvän elektrodin aineen toiseksi, ja tämä on havaittavissa visuaalisesti aineen värinmuutoksesta. Sarjamuotoisesti tai rinnakkain purkautuvina kennot voivat muodostaa optisen, digitaalisesti luettavan koodin. Elektrodin dielektrisyysvakion muutosta voidaan ilmaista elektrodin yhteyteen valmistetun kondensaattorin ja UHF-antennin avulla, jolloin UHF-tägiä luettaessa havaitaan elektrodin muuttumisesta aiheutunut antennin impedanssin muutos.

Description

Sähkökemiallinen indikaattori ja menetelmä sähkökemiallisen indikaattorin valmistamiseksi
Keksinnön ala
Keksintö liittyy painamalla valmistettuihin paristoihin eli pattereihin ja niiden uuden5 laiseen käyttöön esimerkiksi elintarviketeollisuudessa.
Keksinnön tausta
Elintarviketeollisuudessa on tarpeen ilmaista erilaisten elintarvikkeiden tuoreutta tai pilaantuneisuutta. Nykyisellään tämä on tehty tuotekohtaisilla viimeisillä käyttöpäivillä tai ”parasta ennen” -päivämäärillä, jotka on suoraan laskettu tuotekohtaisesti 10 valmistus- tai pakkauspäivämäärästä. Tästä seuraa se, että tyypillisesti viimeinen käyttöpäivämäärä valitaan varhaisemmaksi kuin mitä tuotteen pilaantuminen keskimääräisessä vauhdissa edellyttäisi. Tästä taas seuraa turhaa hävikkiä, joka muutenkin on suuri ongelma kauppojen vanhentuneiden tuotteiden käsittelyssä, ja taloudellisesti katsottuna valtava kuluerä. On siis edullista, että esimerkiksi elintarvik15 keiden kylmäketjun tarkkailuun olisi tarkempia työkaluja, jotka ovat myös kiinnitettävissä helposti pakkauksiin tai valmistettavissa suoraan pakkausten osana. Lisäksi edullista olisi, että kyseinen ”indikaattohtuote” olisi edullinen valmistaa.
Kemiallisia indikaattoreita on ollut olemassa jo pitkään. Kemiallinen indikaattori voi perustua esim, nestemäisen aineen ja indikaattohnauhassa olevan aineen väliseen 20 reaktioon, joka muuttaa indikaattorinauhan värin. Toisaalta kemiallista indikaattoria voitaisiin käyttää niin, että sen altistuessa tyhjön sijasta ilmakontaktille se muuttaa väriään, ja paljastaa näin esim, pakkauksen avautumis- tai rikkoutumishetken.
Kun puhutaan TTI-teknologiasta (engl. ”Time Temperature Indicator”), se on tällä hetkellä ja nähtävissä olevassa tulevaisuudessa kasvava bisnesalue. Suurin tekijä 25 on tarve vähentää hävikkiä, mikä on merkittävä kustannustekijä tuoretuotteissa ja eräissä lääkkeissä. Tällä hetkellä tunnetuin toimiva järjestelmä on ”parasta ennen”päiväys, joka on kehitetty 1970-luvulla ja sen puutteet tunnistetaan yleisesti. Nykyiset TTI:t perustuvat yleensä mekaaniseen, kemialliseen, sähkökemialliseen, entsymaattiseen tai mikrobiologiseen periaatteeseen. Periaate voi olla esim, aineen kul30 keutuminen mikrofluidistisessa kanavassa (engl. ”UWI technology” / ”UWI label”) tuotepakkauksen avaamisen jälkeen, tai materiaalin syöpymiseen (israelilaisen Freshpoint Quality Assurances kehittämä Freshpoint-indikaattori) perustuva menetelmä. Freshpoint käyttää alumiinikerroksen kemiallista syövyttämistä periaatteenaan.
20185523 prh 07-06- 2018
Voidaankin todeta, että TTI-indikaattori on laite tai ns. älykäs tarra, joka näyttää kumuloituvasti tuotteen kokeman aika-lämpötila-historian. TTI-indikaattoreita käytetään yleisesti elintarvike-, ja lääketieteellisissä sovelluksissa kuten lääkeaineissa, ilmaisemaan altistumista liian korkealle lämpötilalle ja myös vaikutusajalle liian kor5 keissa lämpötiloissa.
Julkaisu ”Pavelkova: Time temperature indicators as devices intelligent packaging, Mendel University, Brno (CZ), 5 October 2012” kuvaa hyvänä yhteenvetona TTIteknologiaa ja teknologiaa käyttäviä yrityksiä tuotteineen vuonna 2012.
Julkaisu “Taoukis: Modelling the use of time-temperature indicators in distribution 10 and stock rotation, National Technical University of Athens (GR), December 2001” kuvaa TTI-teknologian käyttöä jakeluketjuissa ja varastokierron optimoinnissa.
Nykyisin käytetyissä menetelmissä ongelmana on valmistusprosessin epätarkkuus. Sähkökemiallisessa menetelmässä simulointi voidaan mitoittaa tarkasti elektroniikan suunnittelumenetelmillä ja usealla peräkkäisellä kennolla saadaan parempi re15 soluutio. Painetussa elektroniikassakin vastusten valmistustoleranssit ovat kohtalaisen suuret, mutta ne voidaan kalibroida ns. on-line R2R-prosessissa (”rullalta rullalle”) esimerkiksi laserilla.
Sähköteknisiä ratkaisuja, jotka liittyvät indikaattorin kaltaiseen toimintaan, ja jotka ovat painoteknisesti järkevästi ja kustannustehokkaasti toteutettavissa, on ollut kui20 tenkin vähän tunnetussa tekniikassa.
Julkaisussa EP 2256670 (”Furuya”) kuvaa integroitua piirikorttia ja sen tarkoituksena on tarjota sekundäärinen virtalähde ohueen IC-piirilevyyn niin, että ei olla puhtaasti sähkömagneettisella induktiolla antennin kautta saatavan syöttöenergian varassa; lisäksi julkaisussa halutaan pois neste-elektrolyytistä turvallisuussyistä ja li25 säksi pitää piirilevy ohuena. Julkaisun tuote liittyy joko sähkömagneettisen induktion kautta tai aurinkopaneelin kautta saatavaan energiaan, jota ladataan ohutkalvotyyppiseen akkuun, joka lisäksi sisältää kiinteää elektrolyyttimatehaalia. Kpl:n [0079] ja kuvan 10 perusteella Furuyassa on mukana scale ”62”, josta käyttäjä pystyy vertaamaan väriä alueeseen ”61”. Kpl:n [0081] mukaan väri vaihtuu lataus-ja purkure30 aktion funktiona, ja litiumionit mainitaan esimerkkinä. Furuya käyttää läpinäkyvää kerrosta (collectohna), jonka materiaalina ”oxide of indium and tin” mainitaan tässä tilanteessa indikaattorisovellukseen linkitettynä. Indikaattoriin liittyvä asia mainitaan Furuyan vaatimuksessa 4 viitaten kaikkiin aiempiin vaatimuksiin 1-3. Furuyan
20185523 prh 07-06- 2018 hakemuksesta myönnetyssä EP-patentissa on indikaattoriosa mukana suojapiirissä, ts. sen patenttivaatimuksessa 1.
Päivittäistavaraketju Lidl on tuonut kalatuotteissaan esille ns. Tempix-älytarran (ruotsalainen teknologia), joka sijoitetaan osittain kalatuotepakkauksen viivakoodin 5 päälle. Tempixin ajatuksena on seurata tuotteen kylmäketjun eheyttä aina pakkauksen valmistumisesta kaupan kassalle ostohetkeen asti. Mikäli tuote joutuu tällä välillä liian lämpimään lämpötilaan, Tempix-älytarrassa oleva indikaattorineste laajenee ja se laajetessaan tuhoaa pakkauksessa olevan viivakoodin loppuosan. Tämä riittää tekemään tuotteesta lukukelvottoman kaupan kassalla, ja tuotteen myyminen 10 näin estyy.
Yleisesti patteri voidaan rakentaa painettuna rakenteena kahdella eri tavalla, joita ovat koplanaahnen rakenne ja pinomainen rakenne. Koplanaarinen rakenne esitetään kuviossa 1A pystysuuntaisena poikkileikkauskuvana. Rakenteessa on pohjalla kerrosmainen suojakalvo tai irroituspaperi 11 (engl. ”(release) liner”), jonka päällä 15 on kerros tarttuvaa ainetta 12 kuten liimaa (”adhesive”). Tarttuvan aineen päällä on varsinainen substraatti 13, jonka päälle on painettu positiivinen elektrodi 14 ja negatiivinen elektrodi 15. Positiivisen elektrodin 14 vasemmalla puolella substraatin 13 päällä näkyy puolestaan vastus tai vastukset 16 (R). Puolestaan elektrodeja 14, 15 yhdistämään asetetaan niiden päälle ja ympärille elektrolyyttiä 17, joka voi olla 20 esimerkiksi kiinteää tai pasta/geelimäistä elektrolyyttiä (jotta se pysyy paikallaan).
Keksintöön liittyen elektrolyytti 17 voi olla edullisesti läpinäkyvää ainetta. Lopuksi elektrolyytin 17, vastusalueen 16 ja muilta osin substraatin 13 päälle painetaan graafinen kerros 18, joka voi olla yksinkertaisesti rakennetta suojaava vaippa. Myöhemmin olevaan keksinnön kuvaukseen liittyen, ja nimenomaan indikaattorisovel25 lusta ajatellen, pieni osa suojaavasta vaipasta toisen elektrodin kohdalla on jätetty vapaaksi, jotta se mahdollistaa elektrodin vähnmuutoksen visuaalisen tarkastelun läpinäkyvän elektrolyytin läpi.
Kuvion 1A alimmista kerroksista (11-15) voidaan valmistusteknisesti todeta, että elektrodit 14-15 käytännössä painetaan substraatille 13 ennen kuin liima 12 lisä30 tään. Liimakerroksen 12 substraatin toiselle puolelle asettamisen jälkeen lisätään tämän jälkeen irroituspaperi 11 liimakerroksen 12 päälle.
Kuviossa 1B on puolestaan pinomainen ns. stack-rakenne painetulle patterille vastaavanlaisena poikkileikkauskuvana. Kerrokset 11-14, eli suojakalvo tai irroituspaperi 11, tarttuva aine 12, substraatti 13 ja vastus/vastukset 16 ovat samat kuin kuvi35 ossa 1 A. Elektrodeissa on nyt uudenlainen rakenne. Tässä esimerkissä positiivinen
20185523 prh 07-06- 2018 elektrodi 14 on painettu ensin substraatille 13 (myös leveämpänä rakenteena tässä kuvassa), tämän jälkeen painetaan kiinteä tai pasta/geelimäinen elektrolyytti 17, joka ympäröi kokonaan positiivisen elektrolyytin 14. Esimerkeissä elektrolyytin 17 ja vastuksen 16 alue poikkileikkauksessa rajautuvat toisiinsa. Elektrolyytin 17 päälle 5 painetaan negatiivinen elektrodi 15, joka tässä esimerkissä sijaitsee samankokoisena suoraan positiivisen elektrodin 14 yläpuolella. Koko rakenteen päälle sijoitetaan graafinen kerros 18, joka on tässäkin tyypillisesti rakennetta suojaava vaippa. Selvyyden vuoksi kuviosta 1B on jätetty pois anodin ja katodin virrankeräimet. Pinorakenteen huonona puolena on se, että elektrolyysireaktiot elektrodeilla tapahtuvat 10 negatiivisen elektrodin 15 alapinnalla ja positiivisen elektrodin 14 yläpinnalla, joille ei ole ulkoa päin helppoa näköyhteyttä, vaikka elektrolyytti olisikin kiinteää ja läpinäkyvää, ja vaikka suojavaippaan tehtäisiinkin sopivaan kohtaan aukko. Yksi tapa tämän ongelman ratkaisemiseksi on se, että pinorakenne tehtäisiin niin, että alimmaisena on väriä muuttava elektrodi, seuraavana läpinäkyvä elektrolyytti ja päällä 15 toinen elektrodi, jossa on reikä. Reiän läpi nähdään toisen elektrodin värin muutos.
Koplanaahnen rakenne on kuitenkin tätä tehokkaampi ratkaisu.
Tunnetussa tekniikassa pääongelmana on siis ollut, että edullisesti valmistettavaa painettuun patteriin perustuvaa ratkaisua indikaattorikäyttöön esimerkiksi elintarviketeollisuuden kylmäketjun valvonnassa ei ole ollut olemassa.
Keksinnön yhteenveto
Esillä olevassa keksinnössä esitellään sähkökemiallinen indikaattori, ja vastaava menetelmä sähkökemiallisen indikaattorin valmistamiseksi.
Keksinnön ensimmäisen näkökohdan mukaan esitellään sähkökemiallinen indikaattori, joka käsittää yhden tai useamman toisiinsa kytketyn sähkökemiallisen kennon, 25 jossa kukin kenno käsittää elektrodeina anodin ja katodin, sekä elektrolyytin. Keksinnön tunnusmerkkinä on, että ainakin toisen elektrodin fysikaalisten muutosten avulla ilmaistaan kunkin kennon lataustila.
Keksinnön eräässä sovelluksessa indikaattori on valmistettu painettuna, paksukalvotyyppisenä ja koplanaarisena rakenteena.
Keksinnön eräässä sovelluksessa sähkökemiallinen kenno puretaan lämpötilan, paineen, säteilyannoksen tai kemiallisen muutoksen funktiona muuttuvan vastuksen tai vastusverkon kautta.
20185523 prh 07-06- 2018
Keksinnön eräässä sovelluksessa sähkökemiallinen kenno puretaan lämpötilan tai säteilyannoksen funktiona muuttuvan ainakin yhden transistorin sisältävän aktiivisen piihkytkennän kautta.
Keksinnön eräässä sovelluksessa kennon tai kennojen lataustila tunnistetaan opti5 sesti elektrodin värin perusteella.
Keksinnön eräässä sovelluksessa kennon tai kennojen lataustila tunnistetaan kapasitiivisesti elektrodin dielekthsyysvakion muutoksen perusteella.
Keksinnön eräässä sovelluksessa elektrodin dielekthsyysvakion muutos ilmaistaan elektrodin yhteyteen valmistetun kondensaattorin avulla ja kondensaattori on kyt10 ketty UHF-antenniin siten, että elektrodin muutos muuttaa antennin impedanssia, ja kyseinen muutos voidaan ilmaista UHF-tägiä luettaessa.
Keksinnön eräässä sovelluksessa elektrodin dielekthsyysvakion muutos ilmaistaan elektrodin yhteyteen valmistetun kondensaattorin ja kelan muodostaman passiivi15 sen resonanssipiihn avulla.
Keksinnön eräässä sovelluksessa kennon tai kennojen lataustila indikoi kennon tai kennojen saamaa lämpöannosta, säteilyannosta, kosteusannosta, paineannosta tai kemiallisen yhdisteen pitoisuuden muutosta indikaattorin käynnistyshetkestä lukien.
Keksinnön eräässä sovelluksessa indikaattorissa on useita kennoja kytketty joko 20 rinnan siten, että kullakin kennolla on erikokoinen purkuvastus ja eri purkuvirta, tai useita kennoja on kytketty sarjaan niin, että vain yksi kenno purkautuu sarjamuotoisesti kerrallaan, ja purkautumisen jälkeen kyseisen kennon sisältävä virtapiirin osa sähköisesti aukeaa.
Keksinnön eräässä sovelluksessa indikaattorissa on useita kennoja kytketty siten, 25 että purkautuvat kennot muodostavat optisen, digitaalisesti luettavan koodin. Koodi voi olla esimerkiksi QR-koodi tai perinteinen viivakoodi.
Keksinnön eräässä sovelluksessa kennojen lataus tehdään erillisten samansuuruisten vastusten kautta, joiden avulla kaikki kennot varautuvat keskenään olennaisesti samansuuruiseen varaukseen indikaattorin valmistusvaiheessa.
Keksinnön eräässä sovelluksessa elektrodien materiaaleiksi valitaan toiseen Zn ja toiseen Ag2O, jolloin elektrodireaktioiden jälkeen elektrodien pintamateriaaleiksi muodostuu ZnO ja Ag, vastaavasti.
20185523 prh 07-06- 2018
Keksinnön eräässä sovelluksessa kennoja puretaan tai ladataan erillisen virtalähteen avulla.
Keksinnön eräässä sovelluksessa kukin kenno on kytketty elektronisen piirin lähtöön, jolloin kennoa voidaan käyttää elektronisen piirin tilan indikoimiseen.
Keksinnön eräässä sovelluksessa sähkökemiallisten kennojen joko anodit tai katodit on kytketty 7-segment-tyyppiseksi digitaaliseksi näytöksi.
Keksinnön eräässä sovelluksessa indikaattori käsittää kytkimen, jolla käynnistetään kennon tai kennojen purku tai lataus.
Keksinnön eräässä sovelluksessa kahden vierekkäisen tai päällekkäisen johtimen väliin on painettu tai lisätty anisotrooppisesti johtavaa materiaalia, jonka avulla kytkentä tehdään puristamalla materiaali johtavaksi.
Keksinnön eräässä sovelluksessa anisotrooppisesti johtava materiaali on pastaa, joka pasta käsittää sidosainetta, jossa sidosaine kovetetaan UV-säteilyllä.
Keksinnön eräässä sovelluksessa kytkimen napojen yhdistämiseen käytetään juo15 tetta, joka sulatetaan joko termokompressiolla, ultraäänellä, laserilla tai piiriin kuuluvalla induktiivisella silmukalla.
Keksinnön eräässä sovelluksessa kytkimen napojen yhdistämiseen käytetään krimppausta joko erillisellä metallikappaleella tai metallipartikkeleita sisältävällä painetulla tai lisätyllä pastalla.
Keksinnön eräässä sovelluksessa kytkimen napojen yhdistämiseen käytetään painettua metallioksidia, joka valosintrataan johtavaksi voimakkaalla säteilyllä, tai käytetään plasmapurkausta oksidin redusointiin, tai lisätään painoväriin kemiallisia katalysaattoreita, joiden avulla oksidin redusointi nopeutuu ulkoisen energian vaikutuksesta.
Keksinnön eräässä sovelluksessa kytkimenä käytetään painettua OFF-tilassa olevaa transistoria, joka kytketään ON-tilaan katkaisemalla käyttöönottohetkellä hilalle johtava virtapiiri.
Keksinnön eräässä sovelluksessa indikaattorin piiriin on lisätty kytkinalue, jonka päälle on taitettavissa liuska, jolle on painettu johtavaa liimaa, jossa edelleen joh30 tava liima oikosulkee kytkinalueen ja pitää kytkinalueen yhteen kytkettynä, kun liuska on taitettu kytkinalueen päälle.
20185523 prh 07-06- 2018
Keksinnön eräässä sovelluksessa indikaattorin piirissä on kytkinalue, jonka vieressä on johtava alue ja tämän vieressä taitettavalla liuskalla johtavaa liimaa, jossa johtavan alueen molemmin puolin johtavan liiman pinnan alueelle ulottuen on kaksi samansuuntaista viiltoa, jotka sijoittuvat taitoksen suhteen symmetrisesti ja kohtisuorassa, jossa viiltojen erottamassa keskisuikaleessa on nuuttaus ylös, ja tämän molemmin puolin nuuttaukset alas, jossa johtava alue oikosulkee kytkinalueen ja johtava liima pitää kytkinalueen yhteen kytkettynä, kun liuska keskisuikaleineen on taitettu kytkinalueen päälle.
Keksinnön eräässä sovelluksessa indikaattori käsittää kytkinosan ja kontaktiosan, jossa kytkinosa käsittää kaksi likimain kolmionmuotoista reikää symmetrisesti sijoiteltuna ja kaksi kytkinkontaktipäätä, ja kontaktiosa käsittää kaksi kielekettä ja johtavan alueen, jossa kontaktiosa on liputettavissa ylösalaisin suhteessa kytkinosaan siten, että johtava alue kytkee liputuksen jälkeen kytkinkontaktipäät yhteen, ja samalla kielekkeet asettuvat kolmionmuotoisten reikien kapeampaan päähän lukiten kontaktin paikalleen.
Keksinnön toisen näkökohdan mukaan esitellään menetelmä sähkökemiallisen indikaattorin valmistamiseksi. Menetelmän tunnusmerkkeinä on, että menetelmä käsittää seuraavat vaiheet:
- painetaan tai valmistetaan etsaamalla johdinkerros substraatin päälle;
- painetaan elektrodeiksi anodi ja katodi yhtä kennoa kohden johdinkerroksen päälle, ja elektrodien päälle elektrolyytti, ja painetaan tällä tavoin tarvittava määrä toisiinsa kytkettyjä sähkökemiallisia kennoja;
- suojataan rakenne ainakin näkyvää valoa suodattavalla kerroksella siten, että ainakin toinen elektrodeista on nähtävissä indikaattorin ulkopuolelta; ja jossa valmistettua indikaattoria käytettäessä:
- kyseisen ainakin toisen elektrodin fysikaalisten muutosten avulla ilmaistaan kunkin kennon lataustila.
20185523 prh 07-06- 2018
Piirustusten lyhyt kuvaus
Kuvio 1a kuvaa koplanaarista rakennevaihtoehtoa patterille yleisesti tunnetussa tekniikassa,
Kuvio 1b kuvaa stack-tyyppistä pinorakennetta patterille yleisesti tunnetussa tek5 nilkassa,
Kuviot 2a-2b kuvaavat perusratkaisua yhdellä kennolla ja transistorin avulla toteutetusta epäjatkuvuuskohdasta lämpötilan muutoskäyrään,
Kuvio 3 kuvaa keksintöön liittyvää piihesimerkkiä, joka soveltaa rinnankytkentää,
Kuvio 4 kuvaa keksintöön liittyvää piihesimerkkiä viidellä kennolla, joka soveltaa sarjaankytkentää,
Kuvio 5 esittää esimerkkiä X-muotoisesta indikaattorirakenteesta,
Kuvio 6 esittää yhden katodialueen indikaattoria ja kytkintä manuaalista kytkentää varten,
Kuvio 7a esittää anisotrooppista liitosta kahden vastakkaisen johtimen välillä,
Kuvio 7b esittää anisotrooppista liitosta, jossa partikkelikoko on > 0,5 * johtimien väli,
Kuvio 8a esittää 7-segment display -tyyppistä näyttörakennetta, jossa voidaan käyttää sähkökemiallisia kennoja,
Kuvio 8b esittää bar graph -tyyppistä näyttörakennetta LED:eillä, joiden tilalla voi20 daan käyttää sähkökemiallisia kennoja,
Kuvio 9 esittää pehaatekytkentää UV-annosmittahsovelluksessa, joka tässä esimerkissä sisältää viisi kennoa,
Kuvio 10 esittää erästä toteutustapaa keksinnön käyttämälle kytkimelle,
Kuvio 11 esittää kahden päällekkäisen kalvon muodostaman kytkinrakenteen esi25 merkkitoteutuksen,
Kuvio 12 esittää yhtä keksinnön mahdollista rakennekuvaa valmistettuna paperitarraan,
20185523 prh 07-06- 2018
Kuvio 13 esittää UV-annosmittaripiirin periaatteellista rakennetta ilman vastuskerroksia keksinnön eräässä sovelluksessa,
Kuvio 14a esittää vielä yhtä esimerkkivaihtoa käännettävälle kertakäyttöiselle kytkimelle, ja
Kuvio 14b esittää ns. ”kylmää prototyyppiä” kuvion 14a kytkimen soveltamisessa UV-annosmittaria varten.
Keksinnön yksityiskohtainen selostus
Keksinnön perusajatus on se, että painettuja pattereita voidaan käyttää muuhunkin kuin energialähteenä.
Kun painetun patterin rakenne tehdään koplanaahseksi kuten kuviossa 1Ajo esitettiin, ja elektrolyytti on läpinäkyvää ainetta, voidaan elektrodilla tapahtuvia kemiallisia muutoksia tutkia elektrolyytin läpi. Kun materiaalit valitaan siten, että sähkökemialliset muutokset osuvat valon alueelle, saadaan hyvä kontrasti ladatun ja puretun elektrodin välille.
Sähkökemialliset muutokset osuvat valon alueelle esim, hopeaoksidin tapauksessa. Hopeaoksidi on erittäin mustaa ja hopea puolestaan vaaleanharmaata tai kirkasta. Ilmiötä voidaan käyttää patterin ulkopuolella olevan mittauspiirin tilan indikointiin tai sitä voidaan käyttää myös elektronisen piirin tilan indikointiin eli digitaalisena näyttönä silloin, kun sähkökemiallisen prosessin muutosnopeus riittää ko. tilan indikoin20 tiin.
Valitsemalla ulkoisen mittauspiirin materiaalit sopivasti, voidaan simuloida tarkasteltavan elementin kokemaa tai vastaanottamaa kosteus-, UV- tai CO2annosta ajan funktiona. Myös muita fysikaalisten suureiden muutoksia voidaan simuloida. Kun ulkoinen mittauspiih varustetaan lämpötilan mukaan muuttuvalla vas25 tuksella, voidaan simuloida tuoretuotteen tai lääkkeen pilaantumisprosessia lämpötilan funktiona (ns. TTI eli ”Time temperature indicator”).
Yksinkertaisimmillaan tuoretuotteen pilaantumista indikoiva piiri sisältää patterin ja termistöön eli NTC-vastuksen (NTC = Negative Temperature Coefficient). Piirin lämpötilakäyttäytyminen seuraa tällöin termistöön vastus-lämpötilakäyrää. Lisäämällä 30 aktiivisia komponentteja voidaan lämpötilan muutoksia simuloida tarkemmin. Suunnittelemalla piiri siten, että vastus muuttuu esimerkiksi jyrkästi +3 celsiusasteessa, on mahdollista toteuttaa TTI-piiri, joka noudattaa FDA:n (valvontaviranomainen
20185523 prh 07-06- 2018
USA:ssa; Food and Drug Administration) vaatimuksia kalatuotteiden seurannalle botulismin ehkäisemiseksi.
Kuvioissa 2a-b esitetään perusratkaisu yhdellä kennolla ja transistorilla toteutetusta epäjatkuvuuskohdasta lämpötilan muutoskäyrään. On huomattavaa, että kuvion 2B 5 vastusarvot ovat vain viitteellisiä. Kuviossa 2a on termistön 21 eli NTC-vastus, joka on kytketty suoraan 1,5 V:n patterin 22 napoihin (joka on myös vain esimerkkiarvo). Kun lämpötila nousee, niin termistohn 21 resistanssi tässä tapauksessa pienenee. Vastuksen suuruus määrää pattehkennon varauksen purkunopeuden, ja mitä isompi vastuksen suuruus, sitä pienempi on patteria 22 purkava virta termistöön 21 10 läpi. Kuvioiden 2a-b esimerkeissä lämpötila te = 25 °C.
Kuviossa 2b on NTC-vastuksen 21 ja patterin 22 lisäksi transistori 24, joka vastusten 23, 25 avulla kuvion mukaisessa kytkennässä tuottaa epäjatkuvuuskohdan lämpötilan muutoskäyrään.
Kytkemällä erillisiä pattereita rinnan tai sarjaan saadaan parempi resoluutio simu15 laatiolle. Koska painotekniikassa komponenttien määrä ei vaikuta hintaan, voidaan pikseleitä lisätä painotekniikan resoluution ja kennon kapasiteettivaatimusten puitteissa. Kuviossa 3 rakenteessa on viisi kennoa, jossa rinnan kytketyille samanlaisille pattereille 22 on kullekin oma purkuvastuksensa 32a-e. Lisäksi piirissä on kytkin 31 (S1). Tällainen rinnankytkentä, jossa kullakin kennolla on oma erikokoinen purku20 vastuksensa (esimerkissä resistanssi tuplaantuu vasemmalta oikealle aina seuraavaan vastukseen mentäessä) on yksinkertainen, mutta ongelmana siinä on kennojen yhtäaikainen purkautuminen. Parempi resoluutio saadaan, kun joka toinen kenno kytketään vastakkain, jolloin kennot purkautuvat yksi kerrallaan kuvion 4 kytkennän mukaisesti. Kuvio 4 edustaakin erästä edullista suoritusmuotoa keksin25 nössä. Rakenteessa on vasemmalla kuvion 2B kaltainen NTC-termistorilla 21 ja transistorilla 24 varustettu piiri, jossa on mukana myös vastukset 23, 25. Esimerkissä NTC-vastuksen 21 säätövara on välillä 0,1 ... 2 ΜΩ ja vastusten 23, 25 resistanssi on 1 ΜΩ. Periaate rakenteessa toimii siten, että kytkimen 31 (S1) sulkeuduttua ensimmäinen patteri 22a alkaa purkautua, jolloin virrankulun kannalta tilanne 30 vastaa kuvion 2b piiriä. Toinen patteri 22b ei purkaannu, koska sen napaisuus on patteriin 22a nähden vastakkainen. Tästä seuraa, että piirikomponentit 41a, 22b, 41b ja näiden oikealla puolella olevat johtimet ja komponentit eivät sisällä virtaa, ts. kuvion 2b rakennetta vastaavan piirin oikealla puolella jokaisen langan I = 0.
Kun patterin 22a varaus on purkautunut loppuun, ts. kun ensimmäinen kenno on 35 purkautunut, sen sisäinen vastus nousee ja sen läpi kulkeva virta tyrehtyy ja
20185523 prh 07-06- 2018 efektiivisesti kyseisen kennon virtapiiri avautuu. Purkautuminen siirtyy seuraavalle kennolle ja tällöin virta kulkee kytkimen 31 oikealla puolella olevalla piirin osalla vastuksen 41 a ja toisen patterin 22b läpi transistorikytkennän emitterille. Tässäkin tilanteessa piirikomponenttien 41 b—d, 22c-e ja lisäksi aiemmin puretun patterin 22a läpi 5 ei kulje virtaa.
Prosessi jatkuu samalla tavalla, kunnes kaikki kennot ovat purkautuneet. Kolmannen patterin 22c purkautuessa virtapiirin osana kytkimen 31 oikealla puolella ovat vastukset 41a ja 41b. Neljännen patterin 22d purkautuessa virtapiirissä ovat tällöin vastaavasti 41a, 41c sekä 41b. Vastaavasti viidennen patterin 22e purkautuessa 10 kytkimen kohdan pystylinjan oikealla puolella vastuksista ovat virtapiirissä mukana 41a-d, eli kaikki kuvassa näkyvät vastukset. Piirin toiminta tyrehtyy, kun viimeinen kenno, ts. patteri 22e, on purkautunut. Tämä antaa kennostolle pidemmän ajallisen toiminta-ajan ja myös sarjatyyppisen aktivoitumismahdollisuuden, joka suoraan antaa indikaattohsovellukseen hyviä lisämahdollisuuksia (näistä tarkempaa kuvausta 15 myöhemmin). Kytkennän etuna on myös parempi resoluutio ja parempi kontrasti verrattuna rinnan kytkettyihin kennoihin. Kytkennän etuna on myös pienempi kapasiteettitarve per kenno, koska vain yhtä kennoa puretaan kerrallaan.
Koska kennojen lukumäärä ei käytännössä vaikuta valmistuskustannuksiin, on mahdollista valmistaa useita erilaisia graafisia ulkomuotoja. Kennot voivat olla line20 aarisesti, polaarisesti tai satunnaisesti (random-periaatteella) järjestettyjä.
Esillä olevan keksinnön yksi merkittävä mahdollisuus on analogisen informaation esittäminen peräkkäisinä alueina, jotka voidaan käsittää digitaalisen informaation pikseleiksi. Näin ollen esim, viiden peräkkäisen sähköparin optinen informaatio voidaan sijoittaa digitaaliseen koodiin, joka voidaan optisesti lukea digitaalisilla tunnis25 tusmenetelmillä kuten esim. QR-koodina tai perinteisenä viivakoodina. Tämä mahdollistaa informaation nopean tulkitsemisen halutulla resoluutiolla. Koska painotekniikan tarkkuus on ainoa rajoittava käytännön tekijä, voidaan koodiin sijoittaa helposti esim. 10-portainen asteikko. Eräs uusi sovellus on automaattinen hinnoittelu esimerkiksi maitopurkeille, jolloin peräkkäin muuttuvat kennot muodostavat auto30 maattisesti luettavan digitaalisen koodin, jonka avulla kassa tekee automaattisesti tuotteen hinnan määrittelyn sen tuoreuden perusteella kassajärjestelmälle annetun kriteeristön pohjalta. Tätä voidaan tietysti soveltaa mihin tahansa elintarvikkeeseen tai muuhun tuotteeseen, joka on herkkä pilaantumaan, kuten kalatuotteisiin. Käytettäessä QR- tai viivakoodia, se voi sisältää lisäksi myös tuotteen tunnistustietoja. 35 Kuvatussa koodin digitaalisessa lukusovelluksessa kennot eli sähköparit voivat purkautua sarjamuotoisesti peräkkäin, mutta toisaalta myös rinnan tapahtuva kennojen
20185523 prh 07-06- 2018 purkautuminen ja näin muodostuvan koodin digitaalinen lukeminen on tässä sovelluksessa mahdollista.
Seuraavaksi käsitellään esimerkkejä indikaattorin graafisesta ulkoasusta. Esimerkki eräästä graafisesta ulkomuodosta on esitetty kuviossa 5. Tässä rakenteessa esite5 tään X-kirjaimen muotoinen indikaattori, jossa kennoja eli katodialueita on neljä kpl, osat 51-54. Muut osat voivat olla yhdistetty johtimin toisiinsa, ja sitä kautta kytketty maakytkentään 55. Lopputulos kuvion 5 X-rakenteen toiminnasta ajan funktiona on se, että ensimmäisessä vaiheessa värjäytyy toisen väriseksi (kuten mustasta vaaleaksi/hopeanväriseksi, tai päinvastoin) katodialue 51. Tämän jälkeen alkaa purkau10 tumaan toinen patteri, ja tämä näkyy katodialueen 52 värinmuutoksena. Vastaavasti tämän jälkeen kolmas katodialue 53 muuttaa väriään, ja tämän jälkeen neljäs katodialue 54. Värinmuutosta vaaleasta tummaksi ajan funktiona havainnollistaa kuvion 5 alalaidan viivasto. Tämäntyyppinen indikaattorirakenne on keksinnössä yksi havainnollinen ja käyttäjäystävällinen tapa indikoida esimerkiksi tuotteen pilaantumi15 sen tasoa tai riskiä.
Kuvio 6 esittää yhden katodialueen indikaattoria ja kytkintä manuaalista kytkentää varten. Pyöreä alue keskellä on katodi 61, jota ympäröi autollisen suorakaiteen muotoinen anodi 62. Katodin 61 ja anodin 62 välillä on rako. Anodi 62 on värimaskin alla tässä sovelluksessa, ja käytännössä tämä grafiikka voi olla painettu niin, että 20 katodin ja anodin välinen rako ei näy ulkoa päin. Anodialueen yläpuolella kuviossa näkyy esimerkiksi grafiitista valmistettu kytkinpiiri 63. Tämän yläpuolella on taitettavissa oleva johtavaa liimaa pinnassaan sisältävä taitosalue 64, joka toimii manuaalisena kytkimenä indikaattorin toiminnan aloitushetken määrittämiseksi. Kun käyttäjä taivuttaa johtavaa liimaa sisältävän taitosalueen kytkinpiirin 63 päälle niin, että 25 johtava liima on sähköisessä kontaktissa kytkinpiirin kanssa, indikaattoripiiri rupeaa toimimaan ts. anodi-ja katodireaktiot alkavat patterin purkautumisen myötä. Koska liima on tietysti tarttuvaa, taittamisen jälkeen kytkinpiirin vasemman ja oikean osan välinen sähköinen kontakti myös säilyy. Alkutilanteessa indikaattorin alalaidan vasempi havainnekuva 65 täyttyy, eli se kuvaa indikaattorin katodin 61 pinnan väriä, 30 kun katodireaktioita ei ole merkittävässä määrin tapahtunut, ts. silloin kun tuotteen lämpötilaolosuhteet (esimerkkinä) ovat kunnossa. ”OK”-tilanteessa havainnekuvan 65 mukaisesti siis katodin 61 pinnan materiaali säilyy mustana, kuten esimerkiksi hopeaoksidin kohdalla tilanne on. Kun puolestaan kylmäketju katkeaa jossain kohdin, patteri rupeaa purkautumaan, ja tätä kautta tapahtuva katodireaktio muuttaa 35 hopeaoksidia hopeaksi (esimerkkitilanteessa). Muutos tapahtuu hyvin nopeasti, ja indikaattorin alaosan oikea havainnekuva 66 näyttää tällöin lopputuloksen eli
20185523 prh 07-06- 2018 vaalean katodialueen värin (kuten hopean väri). Tällöin tehdään päätelmä, että ”tuote ei ole OK-kunnossa” (= ”NOK”). Koska tuote on tyypillisesti kertakäyttöinen, tämän jälkeen tapahtuvista katodin 61 ja anodin 62 välisistä reaktioista ei tarvitse normaalitilanteessa välittää. Tuotteen voi käytön jälkeen kierrättää asiaankuuluvaan 5 kierrätysastiaan.
Yhtenä keksinnön esimerkkinä käytetyn hopeaoksidi-sinkkikennon yksi merkittävä etu on jännitteen tasaisuus elinkaaren loppuun saakka, mikä tarkoittaa, että purkautuminen on myös tasaista ja ennustettavaa, niin kauan kun kennojen vuotovirrat ovat vähäisiä verrattuna purkuvastukseen. Tästä voi kuitenkin tulla ongelma hyvin 10 pitkissä simulaatioissa. Jos oletetaan viikon simulointiaika, 1,5 voltin jännite, 10 uAh:n kapasiteetti/kenno ja 5 peräkkäistä kennoa, jolloin kokonaiskapasiteetti on 50 uAh, saadaan purkuvastuksen R arvoksi:
R= 168 h x 1,5 V / 50 uAh = 5,0 ΜΩ (1) mikä on vielä kohtuullisen pieni vuotovastuksiin verrattuna. Kosteus voi kiihdyttää 15 simulaatiota, jos vastusarvot ovat suuret.
Kuukausia kestävät simulaatiot edellyttävät kunkin kennon kapasiteetin nostamista ja samalla korkeampia valmistuskustannuksia.
Seuraavaksi selitetään keksinnön erästä sovellusvaihtoehtoa, jossa TTI-tyyppisen indikaattorin elektrodimuutosta voidaan mitata UHF-antennin (engl. ”ultra high fre20 quency”) avulla ns. UHF-tägiä (engl. ”RFID tag”) luettaessa. Yleensä TTI on tarkoitettu loppukäyttäjän luettavaksi, mutta logistiikkaketjuissa on tarvetta mitata asioita automaattisesti. Nykyinen kamerateknologia mahdollistaa nopean optisen luvun, mutta se edellyttää lyhyttä etäisyyttä ja tarkkaa sijoittelua. Kun sähkökemiallisen parin lataustilan muutos saadaan siirtymään langattomana nopeasti siirtyvänä infor25 maationa, on keksinnölle uusia käyttömahdollisuuksia paikoissa, joissa käyttäjän suorittama luku on liian hidasta. Yhdistämällä keksinnön mukainen piiri radioteitse luettavaan tägiin, erityisesti UHF-tägiin, on mahdollista päästä jopa useiden metrien päästä nopeasti luettaviin indikaattoreihin.
RF Mieron (nyk. Axzon) on kehittänyt UHF-sirun, joka mittaa antennipiirin impedans30 siä ja muuntaa sen digitaaliseksi, esim. 5-bittiseksi sanaksi ja tämä tieto liitetään identifiointitietoon. Smartrac (NL) käyttää tätä periaatetta kosteuden mittaukseen DogBone-sensohssaan.
20185523 prh 07-06- 2018
Puolestaan esillä olevaan keksintöön liittyen Elcoflexillä on kehitetty UHF-siruun perustuva fysikaalisen suureen mittausmenetelmä, jossa lukijalaite skannaa UHFtägejä eri taajuuksilla ja päättelee tuloksista antennin impedanssin muutokset. Molempia menetelmiä voidaan käyttää TTI-tyyppisessä indikaattorissa, kun elektrodin 5 muutosta ilmaistaan kapasitanssin muutoksen kautta ja elektrodille valmistettu kondensaattori kytketään osaksi antennin resonanssipiiriä. Edellisessä menetelmässä voidaan käyttää standardityyppisiä lukijalaitteita, kun taas jälkimmäinen vaatii kustomoidun lukijan, joka päättelee impedanssin skannaamalla useita eri taajuuksia. Koska jälkimmäinen menetelmä käyttää massavalmistettuja standardi-siruja, se so10 veltuu paremmin tuoretuotteiden automaattiseen valvontaan myöskin edullisuutensa vuoksi.
RFID-sovellusten HF-alueen (engl. ”high frequency”) antennin resonanssitaajuus on 13,56 MHz, mikä vaikeuttaa vastaavan periaatteen käyttöä NFC-teknologiassa pienillä kapasitanssiarvoilla. NFC-teknologiassa mittaus voidaan siirtää luettavaksi tie15 doksi esim. NFC-piirin analogisen tulon avulla esim, kytkemällä mitattava elektrodi osaksi NFC-piiriin kytkettyä RC-piiriä. Austrian Micro Systems (AMS AG) on kehittänyt NFC-sirun AS39513, jossa on analoginen tuloja lisäksi digitaalilähtö. Näiden avulla on mahdollista toteuttaa elektrodin muutoksen mittaus halutulla taajuusalueella.
Edullisempi ratkaisu on todennäköisesti rakentaa erillinen UHF-antenni ja UHF-siru NFC:n yhteyteen.
Eräässä keksinnön sovelluksessa edellä kuvattujen RFID-ratkaisujen lisäksi on mahdollista liittää edellä kuvattu TTI-indikaattorin kapasitanssi osaksi passiivista resonanssipiiriä, jonka taajuutta luetaan tarkoitukseen suunnitellulla lukijalaitteella. 25 Resonanssipiirin kela voidaan valmistaa samassa prosessissa muiden johtimien kanssa. Aktiivisen komponentin puuttuminen tarkoittaa, että lukeminen voidaan suorittaa vain lähietäisyydeltä.
Seuraavaksi käsitellään esillä olevan keksinnön ns. kytkinsovellusta. Koska indikaattorin valmistushetken ja käyttöönottohetken välillä voi olla huomattavan pitkä 30 aika, on järkevää varustaa piiri virtakytkimellä. Jos piirissä käytetään aktiivisia puolijohteita, voidaan kytkin toteuttaa esim, kanavatransistorilla, jolloin virta voidaan kytkeä päälle katkaisemalla transistorin hilan virtapiiri. Riittävän hyvän 1,5 V jännitteellä toimivan transistorin valmistaminen edellyttää kuitenkin hyvin tarkkaa hilaeristeen painotekniikkaa, mikä nostaa kustannuksia. Tavoitteena on painaa tuote silkkipai35 nolla käyttäen paksukalvotekniikkaa, jolloin päästään edullisiin valmistuskustan15
20185523 prh 07-06- 2018 nuksiin. Valmistuksessa voidaan käyttää myös muita tekniikoita kuten sputterointi, CVD (Chemical Vapor Deposition), ALD (Atomic Layer Deposition), dispensointi, laminointi, kemiallinen pinnoitus ja kaikkia muita painotekniikoita mukaan lukien gravuuri-ja flexopainotekniikat. Tässä yhteydessä sanalla ”painettu” tarkoitetaan kaik5 kia em. tekniikoita. Oleellista on, että valmistus tapahtuu rullalta rullalle Teel-to-reel” (R2R), millä saavutaan vaadittu kustannustaso.
Kaikissa painetuissa pattereissa tarvitaan helposti päälle kytkettävää ON-OFFkytkintä, ei ainoastaan tämän keksinnön mukaisessa sähkökemiallisessa indikaattorissa. Esimerkiksi RFID-tägissä, joka sisältää painetun, rakenteeseen integroidun 10 patterin, on sama tarve kytkeä patteri päälle vasta käyttöönottohetkellä. TTI- ja RFID-sovelluksissa kytkentä voidaan tehdä automaattisella laitteella ja siten kytkentämenetelmä voi olla monimutkaisempi. Loppukäyttäjälle suunnatussa tuotteessa tilanne on haastavampi. Kytkin pitää pystyä kytkemään manuaalisesti ilman ulkoista valo- tai muuta energialähdettä.
Keksinnön kytkin voidaan toteuttaa usealla eri menetelmällä. Vaadittu kytkimen ONtilan vastus voi olla suuri, jopa 1 kO, mikä olisi vasta 0,2 promillea edellisen esimerkin vastuksesta. Jos vastuksen nimellisarvo on tarkka, se voi olla osa purkupiirin kokonaisresistanssia.
Yksi vaihtoehto on käyttää tunnettua anisotrooppista liimatekniikkaa kuvioiden 7a20 7b esittelemään tapaan. Kuvio 7a esittää anisotrooppista liitosta kahden vastakkaisen johtimen välillä. Tässä menetelmässä heikosti johtavassa liimassa olevat johtavat partikkelit puristetaan Z-akselin suunnassa johtaviksi. Kun partikkelit ovat halkaisijaltaan n. viidesosa johtimien välisestä matkasta, kuten kuviossa 7a, ei synny vaakatasossa johtavuutta. Suurentamalla partikkeleita suhteessa johtimien väliin 25 saadaan johtavuus syntymään myös vaakatasossa, jolloin ei tarvita kahta pystysuuntaista johtavaa pintaa, vaan kontakti syntyy vierekkäisten johtimien välille.
Tämä on esitetty kuviossa 7b, jonka anisotrooppisen liitoksen partikkelikoko (halkaisija) on vähintään puolet johtimien välimatkan suuruudesta. Kuviossa 7b substraatin 71 päällä on kaksi johdinta 72. Tämän rakenteen päällä on liimaa 73, jonka joukossa 30 on johtavia partikkeleja 74. Kun johtavien partikkelien koko suhteessa johtimien välimatkaan on riittävän suuri, liiman 73 sisältämää aluetta fyysisesti painamalla tai puristamalla muodostuu sähköinen kontakti johtavien partikkelien 74 kautta johtimelta 72 toiselle.
Yleensä anisotrooppisesti johtavan pastan sideaine on thermosetting-tyyppistä ai35 netta (esimerkiksi polymeeriä), jonka kuivatus tapahtuu lämmittämällä. R2R16
20185523 prh 07-06- 2018 prosessissa edullisempi tapa on käyttää ultraviolettisäteilyllä (UV) kovetettavaa sideainetta, jolloin prosessin nopeus saadaan moninkertaiseksi. UV-säteilyn käyttöön ei ole estettä, koska johtimet ovat rinnakkain eivät ne siten estä valon pääsyä liimaaineeseen. Jos liitoksen pitkäaikainen stabiilisuus ei ole vaatimuksena, on mahdol5 lista käyttää myös pelkkää prässäystä. Tämä menetelmä lähestyy krimppausta (engl. crimp), jossa metallipartikkeleita prässätään kiinni johtimeen, ts. liitetään siihen puristamalla.
Juote on johtavuudeltaan paras, mutta johtaa valmistusteknisiin ongelmiin. Juote pitää saada pysymään johtamattomassa tilassa ennen sulatusta. Itse sulattaminen 10 voidaan toteuttaa joko laserilla, juotoskolvilla, induktiivisesti kuumennettavalla silmukalla tai ultraäänellä.
Uusi johtavien piirien valmistusteknologia on ns. valosintraus (engl. ”photonic sintering”). Siinä suurella valoteholla pelkistetään metallioksidi johtavaksi metalliksi. Koska ylimenovastus voi olla korkea, on tämä menetelmä erittäin potentiaalinen jo 15 siitäkin syystä, että se on kaupallisesti saatavilla R2R-muodossa. Novacenthx tarjoaa silkkipainettavaa kuparioksidia ja valotuslaitteita. Muitakin menetelmiä löytyy kirjallisuudesta useiden eri metallioksidien pelkistämiseksi.
Seuraavaksi käsitellään esillä olevan keksinnön erästä käyttösovellusta, joka on indikaattorijärjestelyn käyttö näyttökomponenttina. Tätä on esitetty kuvioissa 8a-b, 20 joista kuvio 8a esittää ns. 7-segment display -tyyppistä näyttörakennetta, jossa voidaan käyttää sähkökemiallisia kennoja. Kuvio 8b esittää puolestaan ns. Bar Graph -tyyppistä näyttörakennetta LED:eillä, joiden tilalla voidaan käyttää sähkökemiallisia kennoja.
Kun sähkökemiallista paria puretaan ulkoisella jännitelähteellä riittävän suurella vir25 ralla, saadaan elektrodin optinen muutos tapahtumaan muutamassa sekunnissa.
Kytkemällä kenno esim, prosessorin lähtöön, voidaan kennoa käyttää näyttöpikselinä. Menetelmällä voidaan rakentaa esim. 7-segment-, Bar Graph- tai pistematriisinäyttöjä, jotka eivät voi muuttaa tilaansa takaisin ilman bipolaarista jännitettä. Tämä (ts. yksisuuntainen / kertaluonteinen elementin ulkoasun muutos) on kuitenkin usein 30 riittävä toiminto halvoissa kertakäyttötuotteissa esimerkiksi laitteen tilan, kertakäyttöisen koodin tai mittausarvon indikoimiseen.
Tyypillinen sovellus RFID-tuotteissa voisi olla esimerkiksi patterin latauksen indikointi esim, kymmenellä pikselillä 10 %:n välein ilmoitettuna tai ns. ”tamper evident” -tyyppinen indikaattori.
20185523 prh 07-06- 2018
Kuvion 8a vasen elementti ”Arduino Uno” on prosessori, jonka lähdöt D2-D9 menevät vastuksen kautta kuhunkin seitsemään näyttöelementtiin ja lisäksi D5:stä aktivaatiotilan ilmoittavaan DP-pisteeseen vastaavan liittimen kautta. Maakytkentäliitin on ”cc”. Keksinnössä kukin alueista a-g voi olla värinmuutoksen kokeva katodi tai 5 anodi sähkökemiallisesta parista, kuten edellä on kuvattu.
Kuviossa 8b puolestaan vasemmalla oleva elementti ”Arduino” edustaa Bar Graph -näyttösovelluksen prosessoria. Lähdöt D2-D11 on kytketty LED:einä merkittyihin komponentteihin, ja keksinnössä juuri nämä LED:it voidaan korvata keksinnön mukaisilla sähkökemiallisilla kennoilla. Mukana kuvion kytkennässä ovat tässä esimer10 kissä 220 Ω:η sarjavastukset, ja AO:aan kytketty säätövastus eli potentiometri. Käyttöjännitteenä on tässä esimerkissä 5 V.
Toisena käyttösovellusesimerkkinä keksintöä voidaan käyttää UV-annosmittarina.
Keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan NTC-vastus korvata millä tahansa fysikaalisen ilmiön mukaan muuttuvalla vastuksella. Puolijohteet ovat tyypillisesti 15 materiaaleja, joiden johtavuus muuttuu ulkoisen energian, kuten sähkömagneettisen säteilyn, vaikutuksesta. Esim, sinkkioksidi (ZnO), jonka ns. ”band gap” on 3,37 eV, reagoi UVA-ja UVB-aallonpituuksiin 280 ... 400 nm. Sinkkioksidia käytetäänkin tästä syystä UV-suojavoiteissa. Kun sinkkioksidista tehdään vastuspasta ja yhdistetään sillä painettu vastus keksinnön mukaiseen indikaattoriin, saadaan UV20 säteilyyn reagoiva annosmittari. ZnO on vain esimerkki ja valovastus voidaan toteuttaa usealla muullakin eri materiaalilla.
Kuvio 9 esittää periaatekytkennän erästä esimerkkiä viidellä kennolla UVannosmittahsovelluksessa. Vasemmalla on UV-herkkä vastus 91, joka on kytketty muuhun piiriin kytkimen 31 (S1) kautta. Rakenne muistuttaa muutoin kuvion 4 mu25 kaista patteri- ja vastusverkkoa. Patterit 22a-e ovat tässäkin esimerkissä 1,5 V:n pattereita (eli sähkökemiallisia kennoja), ja vastukset 41a-d ovat tässä esimerkissä 1 kO:n vastuksia.
Silloin kun UV-annosmittari on loppukäyttäjän tuote, on päälle kytkeminen tehtävä manuaalisesti esim, johtavan liiman avulla. Kytkentä tapahtuu esimerkiksi taitta30 maila painettu tarran reunaan sijoitettu johtava liima-alue kahden mittausalueen ulkopuolella sijaitsevien vierekkäisten johtimien päälle. Riittävä johtavuus on saavutettavissa esimerkiksi sekoittamalla johtavia hiili-, grafeeni- tai metallipartikkeleita PSA-liimaan (engl. pressure-sensitive adhesive). Liima on tässä tapauksessa isotrooppinen, joka ei tarvitse erityistä painetta johtavuuden saavuttamiseksi. Toinen 35 mahdollinen vaihtoehto on tehdä muovattu kalvokytkin, joka painettaessa jää
20185523 prh 07-06- 2018 pohjaan. Se on kuitenkin kalliimpi ratkaisu kuin painettu liima ja edellyttää sopivaa muovikalvoa.
Kuvio 10 esittää keksinnön eräässä sovelluksessa käytettävän kytkimen yhtä toteutustapaa. Indikaattorikalvossa on alhaalla UV-mittausalue, jonka toiseen kapeam5 paan päähän on rakennettu johtimisto, joka muodostaa kytkinelementit. Nämä johdinlangat voidaan muotoilla haarukkamaisesti toistensa väliin ulottuvina rinnakkaisina johdinlankoina, jotka perustilassa eivät muodosta kytkentää toistensa välille. Kytkinelementin yläpuolella (toisella puolella kuin UV-mittausalue) on taitos, jonka erottaman taitososan pinnalla on alue johtavaa liimaa kuten PSA-materiaalia. Tai10 toksen kohdalle on voitu valmistaa myös erillinen perforointi. Kun käyttäjä taittaa
PSA-liimaa sisältävän taitososan kytkinelementtien päälle ja puristaa sen vastinosan päälle, johtava PSA-liima toimii kytkinelementtien haarojen sähköisenä yhteen liittäjänä, ja piiri näin tältä osin sulkeutuu. Liima pitää kytkennän suljettuna ja koska kytkennän täytyy vain sulkeutua, eikä tämän jälkeinen avaaminen ole tyypillisesti 15 tarpeen, liima on tässä käyttökelpoinen materiaali kytkennän muodostajana.
Kytkin voi olla myös kaksi toisiinsa nähden liukuvaa johtavaa pintaa, jotka voivat aiheuttaa kytkennän, kun tarra otetaan irti toimituspakkauksestaan. Tämä edellyttää toista kalvokerrosta ja se on siksi kalliimpi ratkaisu kuin edellä.
Kuvio 11 kuvaa toisentyyppistä kytkinrakennetta, jossa on kytkinosa 110 ja kontak20 tiosa 113 kahdessa erillisessä kalvossa. Vasemmanpuoleinen kytkinosa 110 sisältää kaksi likimain kolmionmuotoista reikää 111 symmetrisesti sijoiteltuna ja kaksi kytkinkontaktipäätä 112. Kytkinosa 110 toimii tässä alempana kalvona. Oikeanpuoleinen kontaktiosa 113 toimii ylempänä kalvona, johon on stanssattu kielekkeet 114 (kaksi kpl myös symmetrisesti sijoiteltuna). Kontaktiosaan 113 on painettu lisäksi 25 johtava alue 115. Kun oikea kalvo 113 käännetään vasemman kalvon 110 päälle ja tämän jälkeen liu’utetaan alaspäin, johtava alue 115 liukuu alaspäin ja osuu kytkinkontaktipäiden 112 kanssa kontaktiin. Tällöin kytkinkontaktipäät 112 kytkeytyvät sähköisesti yhteen. Samalla kielekkeet 114 asettuvat reikien 111 kapeampaan päähän, joka lukitsee kontaktin paikalleen. Kuviosta 11 paperisesta havainnekuvasta 30 poiketen kytkinosa 110 ja kontaktiosa 113 voivat olla siis vapaasti liikuteltavissa toistensa suhteen erillisinä osina, tai ainakin ne on järjestetty niin, että ne ovat liikuteltavissa toistensa suhteen pystysuorassa suunnassa.
Kuvio 12 esittää yhtä mahdollista keksinnön tuotteen rakennekuvaa, jossa tuote on valmistettu papehtarraan. Alimmaisena kerroksena on suojakalvo tai irroituspapeh 35 121 (engl. (release) liner). Tämän päälle toisena kerroksena valmistetaan PSA-liima
20185523 prh 07-06- 2018
122, joka on siis paineelle herkkää tarttuvaa ainetta. Tämän päälle valmistetaan puolestaan papehkerros 123. Tämän yläpuolelle valmistetaan johdinkerros eli elektrodikerros 124, joka voi olla valmistettu esimerkiksi hopeasta. Nämä ovat käytännössä johtavia langoituksia papehkerroksen 123 päällä, ja johdinkerros 124 on 5 suunniteltu esimerkiksi IDE-suunnitteluperiaatteella (engl. ” Inter-digitated electrode”). Johdinkerroksen 124 päälle painetaan tämän jälkeen katodi ja anodi, jotka on merkitty plus- 125a ja miinusmerkkisin 125b elektrodein. Esimerkkikuvassa plus-elektrodi eli katodi 125a voi olla hopeaoksidia (Ag2O) ja miinus-elektrodi eli anodi 125b sinkkiä (Zn). Katodin 125a ja anodin 125b kohtien ulkopuolelle johdin10 kerroksen 124 päälle painetaan sinkkioksidikerros 126 (ZnO), joka on musteen tyyppistä ainetta koostumukseltaan (engl. ”ZnO ink”). Tämän jälkeen katodin 125a ja anodin 125b päälle painetaan tai dispensoidaan kerros elektrolyyttiä 127. Elektrolyytti voi olla kiinteää tai pastamaista ainetta. Elektrolyytti on tässä sovelluksessa läpinäkyvää ainetta. Lopuksi päällimmäiseksi kerrokseksi painetaan näkyvää valoa 15 suodattava suodatuskerros, jonka päälle tai sen osana voi olla valmistettu graafisia elementtejä, eli merkintöjä ja/tai värejä. Tämä kerros toimii indikaattorin ulkovaippana. Koska suodatinkerroksessa on aukko katodin 125a kohdalla (katodi tässä vain esimerkkinä), siinä tapahtuvat sähköisten reaktioiden aikaansaamat ainemuutokset ja tätä kautta vähnmuutokset ovat havaittavissa graafisen vaipan aukon 20 kautta. Elektrolyytti kerroksen 127 päällä voi toki edullisesti olla ohut läpinäkyvä muovi (ei kuviossa), joka suojaa rakennetta.
Luonnollisesti aukkokohta voidaan järjestää vaihtoehtoisesti anodin 125b kohdalle, tai vaikkapa molempien elektrodien 125a-b kohdille, mikäli tarve havainnollisuudesta näin vaatisi.
PSA-liima 122 voidaan valita myös lääketieteellisten sovellusten vaatimukset täyttäväksi aineeksi (engl. ”Medical Grade”).
Kuvio 13 esittää puolestaan UV-annosmittaripiirin periaatteellista rakennetta ilman vastuskerroksia. Tässä UV-esimerkkisovelluksen eräässä rakenneratkaisussa kerrosrakenne voi koostua samoista osista ja samassa järjestyksessä kuin kuvion 12 30 kerrosrakenne. Tässä yhteydessä piihkerrosta 130 sekä suodatin- ja grafiikkakerrosta 131 tarkastellaan erikseen UV-annossovelluksessa. Piirikerros 130 käsittää tässä anodit 133, katodit 132, sormikuviomaiset hopeoidut johdinlangat 134 ja sinkkioksidikerroksen (ZnO) 135. Tässä esimerkissä kennoja on viisi kappaletta eli anodeja 133 ja katodeja 132 on vierekkäin pareittain molempia viisi kappaletta. 35 Edullisessa sovelluksessa käytetään kuvion tapaista sormikuviota johdinlankojen
134 asettelussa. Tämä johtuu sinkkioksidikerroksen 135 hyvin korkeasta
20185523 prh 07-06- 2018 ominaisresistanssista, ja sormimaisella johdinrakenteella saadaan piirin tehollista vastusarvoa laskettua.
Kuvion 13 oikeanpuoleinen osapiirustus esittää suodatin- ja grafiikkakerrosta 131 samassa rakenteessa, mikä asettuu vasemmanpuoleisen rakenteen päälle val5 miissa tuotteessa. Tässä näkyy valosuodatin 136, jossa on suorakaiteen mukainen ikkuna tai aukko 137. Suodatinkerros siis estää näkyvän valon kulkeutumisen mm. johdinlankojen 134 kohdalla, mutta katodien 132 kohdalle sijoittuu aukko 137. Suodatinkerroksen päälle voidaan suoraan painaa grafiikkaa. Tässä esimerkissä grafiikka sisältää infotekstit ”UV Guard” eli ”UV-vahti”, ”DOSE” eli ”UV-annostus”, sekä 10 prosentteina nollasta sataan 20 %:n välein vastaavat infotekstit 20 %:sta alkaen.
UV-annosmittaria käytettäessä aluksi jokainen indikaattorin katodi 132 on musta (eli hopeaoksidin värinen hopeaa / hopeaoksidia käyttävässä esimerkissä). Kun indikaattori absorboi riittävän määrän UV-säteilyä, ensimmäisen kennon katodi 132a muuttuu mustasta hopeanväriseksi (eli kirkkaan väriseksi). Kirkas alue ulottuu siis 15 tällöin 20 %:n rajaan asti annostusikkunassa eli aukossa 137. UV-annoksen kasvaessa kennot (sisältäen katodit 132a-132e) muuttavat väriään alhaalta käsin yksi kerrallaan mustasta kirkkaaksi. Viimeisenä muuttaa väriään ylin katodi 132e. Tällöin UV-annos on saavuttanut asetetun maksimikynnysarvon, jota tässä asteikossa indikoi luku 100 %. Tämä annos (100 %) voi edustaa esimerkiksi keskimääräisellä 20 pigmentillä varustetun käyttäjän saamaa UV-annosta silloin, kun iho on juuri palanut. Tällä tavoin annosmittari ilmoittaa käyttäjälle turvallisen ajan auringossa ja nimenomaan reaaliajassa saadun UV-annoksen. Tämähän on edullista, koska muussa tapauksessa ihon palaminen näkyy hieman viiveellä tyypillisesti sisätiloihin siirtymisen jälkeen, jolloin ihovaurioita on jo voinut tapahtua.
Käytetyt aineet ja niiden värit aineiden reaktioissa voivat toki olla UVannosmittahssa muutakin kuin kirkas (hopean väri) ja musta (hopeaoksidin väri), kunhan vain havainnollisuus UV-pylvään etenemisessä laitteen käyttäjän suuntaan ei kärsi.
UV-annosmittarille löytyy useita käyttökohteita, esim, teollisuudessa on tarve mitata 30 tuotantolaitteiden UV-tehoja ja uimarannalla on hyödyllistä tietää saadun UVA- ja UVB-annoksen määrä mahdollisen melanoomariskin välttämiseksi.
Palataksemme kuvioiden 7a-b ja 10-11 kytkinratkaisuihin, kuvioissa 14a-b esitetään vielä yksi mahdollinen vaihtoehto kertakäyttöisen kytkimen toteuttamiseksi. Tämäkin vaihtoehto on valmistettavissa automaattisella rullalta rullalle -tyyppisellä lin35 jalla. Kuvion 14a indikaattorin 140 rakenne käsittää liuskan toisessa päässä
20185523 prh 07-06- 2018 liimapinnan 141, joka voi olla em. PSA-tyyppistä liimaa. Taitoksen 144 toiselle puolelle on painettu johtava alue 145, joka voi olla grafiittia tai muuta johtavaa materiaalia. Johtavan alueen 145 alareunasta sen kummallekin puolelle tehdään pystyviillot, jotka ulottuvat taitoksen 144 toiselle puolelle liimapinnan alueelle siten, että viillot 5 ulottuvat saman matkan verran taitoskohdasta kummallekin puolelle symmetrisesti.
Viiltojen kohtaan voidaan edullisesti valmistaa nuuttaukset, jotka helpottavat kielekkeen kääntymistä oikeaan suuntaan, eli taitettaessa ylöspäin. Heti johtavan alueen 145 alapuolella on kytkinalue 142, joille on erilliset kytkimen kontaktit 143.
Kytkimen kytkeminen päälle tapahtuu taittamalla liimapinnan 141 sisältävä indikaatio torin osa alaspäin taitoksen 144 ympäri niin, että viiltojen erottama keskikieleke nuuttausten avustamana kääntyy sisäkulman suuntaan, kuten kuvion 14a oikeanpuoleinen piirustus havainnollistaa. Kun liimapinnan sisältävä taitososa on kokonaan taivutettu vasten muuta indikaattohalueen pintaa, ja tämä painetaan sormin yhteen, liimapinta 141 tarttuu vastinosaan niin, että johtava alue 145 ja kytkinalue 15 142 saatetaan toistensa kanssa kontaktiin. Toisin sanoen grafiitin (tai yleisemmin johtavan alueen 145) kautta kytkimen kontaktit 143 kytkinalueineen 142 kytkeytyvät yhteen. Koska irti taittuneen kielekeosan kohdalle muodostuu neljän substraattikerroksen paksuinen alue, mutta sen ympärille vain kahden substraattikerroksen paksuinen alue, kytkinalueelle 142 syntyy liiman ansiosta paine, joka pitää kontaktin 20 kiinni. Koska kytkin on kertakäyttöinen indikaattohsovelluksessa, liimapinnan innoittamista myöhemmin vastinpinnastaan ei ole tarpeen toteuttaa. Koska keksinnön tuotteessa painetaan johtavaa pastaa joka tapauksessa, kuvion 14a sovellusesimerkin materiaalien lisäkustannus muodostuu ainoastaan liimasta ja sen suojaksi laitettavasta kalvosta. Valmistusteknisesti toki erona on viiltojen teko, ja nuuttausten 25 valmistus, mutta tämäkin ratkaisu on hyvin toteutettavissa painoteknisesti R2R-periaatteella.
Kuvio 14b esittää edellisen kuvion kytkinratkaisua sovellettuna UVannosmittahsovellukseen. Piirustus esittää paperista tehtyä kylmää prototyyppiä, jossa komponentit ja aukon näkymät on piirretty kynällä havainnollistamisen vuoksi. 30 Kuviossa 14b näkyy kuvion 14a tapaan sisäkulman suuntaan taittunut kielekkeen alue, jossa johtava alue lähestyy kytkinaluetta. Viisikennoinen UV-annoksen ilmaisin näyttää UV-altistuksen suuruuden grafiikassa olevasta aukosta viiden alueen värinmuutoksena niin, että ensin muuttaa väriään alue ”1”, ja lopuksi alue ”5”. UVannoksen vastaanottaminen alkaa sillä hetkellä, kun kytkimen sisältävä taitos on 35 liimattu vastinpintaan kiinni sormin painamalla. Tällä tavoin UV-säteilyn ”laskenta” saadaan tarkkaan manuaalisesti aloitettua kytkimen käännön hetkestä, ja tuotteen
20185523 prh 07-06- 2018 varastointiajalla ei käytännössä ole merkitystä indikaattorituotteen toimintaan. Tässä on yksi kytkimen tarjoama merkittävä etu. Samoin liiman käyttöjä edellä kuvattu 4-kerrosrakenne kytkimen alueella tekee kytkimen sähköisestä toiminnasta luotettavan.
Keksinnössä voidaan siis UV-annosta mitattaessa käyttää UV-herkkää vastusta eli ns. valovastusta, mitä kuvion 9 elementti 91 edustaa. Kemiallista muutosta puolestaan voidaan mitata käyttämällä esimerkiksi kosteusherkkää vastusta NTCvastuksen 21 (ks. kuvio 2a-b ja 4) eli termistöön 21 tilalla. Yksi keksinnön lisäsovellus on käyttää paineherkkää vastusta termistöön 21 tilalla.
Keksinnön eräässä sovelluksessa kennon tai kennojen lataustila tunnistetaan kapasitiivisesti elektrodin dielektrisyysvakion muutoksen perusteella. Tämä voidaan mitata painamalla kondensaattorilevy muuttuvan elektrodin ja myös elektrolyytin päälle, ja näin voidaan lataustila ilmaista kapasitanssin muutoksen avulla häiritsemättä kennoa eli sähkökemiallista paria galvaanisesti.
Keksinnön eräässä esimerkissä kennon tai kennojen lataustila indikoi kennon tai kennojen saamaa lämpöannosta, säteilyannosta, kosteusannosta, paineannosta tai kemiallisen yhdisteen pitoisuuden muutosta indikaattorin käynnistyshetkestä lukien. Eräässä esimerkissä kyseinen kemiallinen yhdiste voi olla CO2 eli hiilidioksidi.
Keksinnön eräässä sovelluksessa indikaattorissa on useita kennoja kytketty joko 20 rinnan siten, että kullakin kennolla on erikokoinen purkuvastus ja eri purkuvirta, tai useita kennoja on kytketty sarjaan niin, että vain yksi kenno purkautuu sarjamuotoisesti kerrallaan, ja purkautumisen jälkeen kyseisen kennon sisältävä virtapiirin osa sähköisesti aukeaa. Rinnankytkentää käyttävä piirirakenne mahdollistaa näyttösovelluksen ja esimerkiksi kuvion 8b kaltaisen bar graph -tyyppisen näytön, koska kul25 lakin kennolla (sähkökemiallisella parilla) on eri purkautumisaika.
Keksinnön eräässä sovelluksessa kennojen lataus tehdään erillisten samansuuruisten vastusten kautta, joiden avulla kaikki kennot varautuvat keskenään olennaisesti samansuuruiseen varaukseen indikaattorin valmistusvaiheessa.
Keksinnön eräässä sovelluksessa elektrodien materiaaleiksi valitaan toiseen Zn 30 (sinkki, anodiksi) ja toiseen Ag2O (hopeaoksidi, katodiksi), jolloin elektrodireaktioiden jälkeen elektrodien pintamateriaaleiksi muodostuu ZnO (sinkkioksidi) ja Ag (hopea), vastaavasti. Jos katodina käytetään hopeaa, niin hopea pitää oksidoida erillisessä valmistusprosessissa, jossa kullekin parille annetaan sama lataus. Tämän takia latausvastusten tulee edullisesti olla yhtä suuria, jotta mittaukselle saadaan
20185523 prh 07-06- 2018 hyvä tarkkuus. Tällä tavalla samansuuruisten latausvastusten sovellus (edellinen kpl), ja Zn:n ja Ag2O:n valinnat anodiksi ja katodiksi (tämä kpl) linkittyvät yhteen. Tosin minkä tahansa muunkin anodi-ja katodimatehaalin valinnan yhteydessä voidaan kukin pari ladata samansuuruiseen varaukseen.
Kun patteri (eli kenno eli pari) ladataan etukäteen, saavutetaan tilanne, jossa tiedetään tarkalleen latauksen määrä. Silloin myös purkaantuminen tapahtuu tarkasti, jos vastusten vastusarvot ovat tarkat. Toinen vaihtoehto on käyttää katodina hopeaoksidia eli valmiiksi tehtyä ladattua kennoa. Ongelmana tällöin on hopeaoksidin määrästä painoprosessissa syntyvä epätarkkuus.
Keksinnön eräässä sovelluksessa kennot valmistetaan valmiiksi ladatuiksi elektrodeiksi. Tästä esimerkkinä on sinkkioksidi- (ZnO) ja hopeaelektrodien (Ag) muodostama kennosto, joka ladataan ennen käyttöä. Tällöin latauksen aikaansaamissa elektrodireaktioissa muodostuu sinkki (Zn) ja hopeaoksidi (Ag2O) elektrodien materiaaleiksi. Tämän jälkeen indikaattori on valmis käytettäväksi. Keksinnön eräässä 15 toisessa sovelluksessa kennoja puretaan tai ladataan erillisen virtalähteen avulla.
Tämä tarkoittaa käytännössä tilannetta, jossa on suoraan valmistettu sinkki-ja hopeaoksidielektrodien muodostama kennosto, joka ei tarvitse erillistä latausta, vaan se on suoraan valmis käyttöön. Kolmannessa sovellusvaihtoehdossa käytetään galvaanista paha, jossa käytetään toista patteria (virtalähdettä) mittausparin latauk20 seen eli värin muuttamiseen galvaanisella prosessilla. Tämä tarkoittaa käytännössä erillisen patterin käyttöä muutokseen, eli kenno(je)n lataukseen, koska purku ei tarvitse ulkoista virtalähdettä. Tämä kolmas vaihtoehto on monimutkaisempi ja kalliimpi ratkaisu kuin kaksi ensimmäistä vaihtoehtoa.
On huomattavaa, että hopean ja hopeaoksidin käyttö indikaattorissa on vain eräs 25 edullinen esimerkki, koska tällä materiaalikaksikolla keskinäinen värinmuutos on visuaalisesti niin selvä, ja helppo havaita. Mikä tahansa muukin aine käy, jos elektrodireaktio vain muuttaa sen vähä silmin havaittavasti.
Keksinnön kytkinsovelluksessa kahden vierekkäisen johtimen väliin on painettu tai lisätty anisotrooppisesti johtavaa materiaalia, esimerkiksi pastana tai kalvona (kuten 30 ACP, anisotropic conductive paste; tai ACF, anisotropic conductive film), jonka avulla kytkentä tehdään puristamalla materiaali johtavaksi (ks. kuvio 7b edellä). Puristaminen voidaan tehdä manuaalisesti, eli käyttäjän käsin puristamalla halutulla indikaattorin käynnistyshetkellä.
20185523 prh 07-06- 2018
Keksinnön näyttösovellukseen liittyen, siinä voidaan rakentaa erilaisia näyttökombinaatioita, muunkinlaisia kuin perinteinen 7-segment-tyyppinen näyttö. Parit eli kennot voidaan kytkeä siten, että ne muodostavat esim, bar graph-tyyppisen analogisen näytön. Koska kennojen lukumäärä ei vaikuta juurikaan hintaan, niitä voi5 daan helposti rakentaa esim. 10 kpl, eli 10 %:n välein 0-100 %-asteikolla.
Toisaalta keksinnön mukaisia sähkökemiallisia pareja voidaan kytkeä esim, prosessorin lähtöihin, jolloin saadaan digitaalinen hitaasti muuttuva näyttö. LisäpiireilIä siitä saadaan reversiibeli eli palautuva. Eräs sovellus tällaisille rakenteille on lämpötilan mittaustägeissä, joissa voi olla esim, kolmen pikselin näyttö. Sen ei tarvitse olla kak10 sisuuntainen. Eräänä toisena ”hitaan” näytön sovelluksena on hinnan ilmoittavat näytöt esimerkiksi kaupoissa, marketeissa ja huoltoasemilla, ja missä tahansa muuallakin, missä näyttöinformaation ei tarvitse muuttua koko ajan.
Keksinnön kytkinsovellukseen liittyy seuraavat asiat. Koska indikaattorin valmistusja käyttöönottoajankohdat poikkeavat toisistaan, pitää olla joku kytkin, jolla purku 15 käynnistetään samalla, kun tuote pakataan. Kytkimen pitää olla riittävän hyvin johtava, että sen vastus ei muuta oleellisesti purkuaikaa, mutta samalla niin eristävä, ettei purkautumista tapahdu indikaattorin valmistumisen ja pakkaushetken välillä. Tämä tulee olemaan yleinen ongelma kaikissa painettuja pattereita sisältävissä tuotteissa.
Kytkinsovelluksessa kytkimen napojen yhdistämiseen käytetään juotetta, joka sulatetaan joko termokompressiolla, ultraäänellä, laserilla tai piiriin kuuluvalla induktiivisella silmukalla.
Anisotrooppisesti johtavien aineiden kohdalla ns. ACP (johtava pasta) ja ACF (johtava kalvo) ovat sinänsä tunnettua teknologiaa. Nyrkkisääntö keksinnön sovellusti25 lanteessa on, että partikkelikoon pitää olla 5 x pienempi kuin johtimien väli, jotta sivusuuntaista johtavuutta ei synny. Jos partikkelikoko on tuota suurempi, syntyy sivusuuntainen johtavuus. Kytkinsovelluksessa kuvion 7b tilanteessa on kyse sivusuuntaisesta johtavuudesta anisotrooppisesti johtavien materiaalien avulla. Keksinnössä tämä on edullinen vaihtoehto, koska ACP on helppo painaa rakenteeseen. 30 Jos pasta kovetetaan osittain UV-säteilyllä, se pysyy stabiilina valmistushetken ja pakkaushetken välillä, minkä jälkeen se voidaan uudelleen kovettaa UV:llä täysin kovaksi.
Keksinnön eräässä kytkinsovelluksessa kytkimen napojen yhdistämiseen käytetään juotetta, joka sulatetaan joko termokompressiolla, ultraäänellä, laserilla tai piiriin 35 kuuluvalla induktiivisella silmukalla. Tässä juotteen käyttöön liittyvässä
20185523 prh 07-06- 2018 sovelluksessa on huomattavaa, että juotteella saadaan paras johtavuus, mutta se pitää painaa pastana ja ongelma voi olla pastan stabiilisuus ennen sulatusta.
Keksinnön eräässä kytkinsovelluksessa kytkimen napojen yhdistämiseen käytetään krimppausta joko erillisellä metallikappaleella tai metal li partikkeleita sisältävällä painetulla tai lisätyllä pastalla. Tähän sovellukseen liittyen khmppaus toimenpiteenä on suoraviivainen ja halpa menetelmä, mutta se vaatii yleensä kaksi päällekkäistä johdinta tai metallilevyn, joka yhdistää vierekkäiset johtimet. ACP:n käyttö on keksinnössä siis kokonaisuudessaan edullisempi vaihtoehto kuin khmppaus.
Keksinnön eräässä kytkinsovelluksessa kytkimen napojen yhdistämiseen käytetään painettua metallioksidia, joka valosintrataan johtavaksi voimakkaalla säteilyllä. Valosintraus (engl. photonic sintering) on yksi edullinen vaihtoehto kytkimen napojen yhdistämiseen, ja painetuissa tuotteissa käyttökelpoinen ja helppo tapa. Esimerkiksi kupahoksidipastaa (CuO) on olemassa, samoin kuin valotuslaitteita, joten valo15 sintraus toimii keksinnön kytkinsovelluksen valmistustapana. Valosäteilyn lisäksi voidaan käyttää plasmapurkausta oksidin redusointiin tai lisätä painoväriin kemiallisia katalysaattoreita, joiden avulla oksidin redusointi nopeutuu ulkoisen energian vaikutuksesta.
Keksinnön eräässä kytkinsovelluksessa kytkimenä käytetään painettua OFF-tilassa 20 olevaa transistoria, joka kytketään ON-tilaan katkaisemalla käyttöönottohetkellä hilalle johtava virtapiiri. Transistoria voidaan käyttää, jos kanavan johtavuus on heikko OFF-tilassa. Transistorin ON-tilan johtavuuden ei tarvitse olla hyvä, jos se tunnetaan hyvin, koska se voidaan laskea mukaan kennon purkuvastukseen. Toisin sanoen transistori voisi olla myös tuotannollinen menetelmä varsinkin, jos sitä tarvi25 taan myös T/R-käyrän (lämpötila/resistanssi) modifiointiin.
Keksinnön eräässä kytkinsovelluksessa (vastaten kuviota 10) indikaattorin piiriin on lisätty kytkinalue, jonka päälle on taitettavissa liuska, jolle on painettu johtavaa liimaa, jossa edelleen johtava liima oikosulkee kytkinalueen ja pitää kytkinalueen yhteen kytkettynä, kun liuska on taitettu kytkinalueen päälle. Tämä soveltuu erityisesti 30 manuaalisessa kytkennässä (käsin / sormin), mutta tämä voidaan helposti myös automatisoida.
Keksinnön eräässä kytkinsovelluksessa (vastaten kuvioita 14a-b) indikaattorin piirissä on kytkinalue, jonka vieressä on johtava alue ja tämän vieressä taitettavalla liuskalla johtavaa liimaa, jossa johtavan alueen molemmin puolin johtavan liiman 35 pinnan alueelle ulottuen on kaksi samansuuntaista viiltoa, jotka sijoittuvat taitoksen
20185523 prh 07-06- 2018 suhteen symmetrisesti ja kohtisuorassa, jossa viiltojen erottamassa keskisuikaleessa on nuuttaus ylös, ja tämän molemmin puolin nuuttaukset alas, jossa johtava alue oikosulkee kytkinalueen ja johtava liima pitää kytkinalueen yhteen kytkettynä, kun liuska keskisuikaleineen on taitettu kytkinalueen päälle.
Keksinnön eräässä kytkinsovelluksessa (vastaten kuviota 11) indikaattori käsittää kytkinosan ja kontaktiosan, jossa kytkinosa käsittää kaksi likimain kolmionmuotoista reikää symmetrisesti sijoiteltuna ja kaksi kytkinkontaktipäätä, ja kontaktiosa käsittää kaksi kielekettä ja johtavan alueen, jossa kontaktiosa on liputettavissa ylösalaisin suhteessa kytkinosaan siten, että johtava alue kytkee liputuksen jälkeen kytkinkon10 taktipäät yhteen, ja samalla kielekkeet asettuvat kolmionmuotoisten reikien kapeampaan päähän lukiten kontaktin paikalleen.
Esillä olevan keksinnön keksinnölliseen ajatukseen sisältyy myös sähkökemiallisen indikaattorin valmistusmenetelmä. Valmistusmenetelmä sisältää kaikki itse laitteen eri sovellusten valmistusvaihtoehdot, jotka on kuvattu edellä ja oheisissa patentti15 vaatimuksissa. Samaten kytkimen valmistusmenetelmä sisältyy esillä olevan keksinnön keksinnölliseen ajatukseen.
Valmistusmenetelmässä sähkökemiallisen indikaattorin valmistamiseksi, menetelmä yleisessä muodossaan (ks. kuvio 12) käsittää seuraavat vaiheet:
- painetaan tai valmistetaan etsaamalla johdinkerros substraatin päälle;
- painetaan elektrodeiksi anodi ja katodi yhtä kennoa kohden johdinkerroksen päälle, ja elektrodien päälle elektrolyytti, ja painetaan tällä tavoin tarvittava määrä toisiinsa kytkettyjä sähkökemiallisia kennoja;
- suojataan rakenne ainakin näkyvää valoa suodattavalla kerroksella siten, että ainakin toinen elektrodeista on nähtävissä indikaattorin ulkopuolelta; ja jossa valmis- tettua indikaattoria käytettäessä:
- kyseisen ainakin toisen elektrodin fysikaalisten muutosten avulla ilmaistaan kunkin kennon lataustila.
Valmistusprosessi ei siis välttämättä ala painetusta johdinkuviosta vaan johtimet 30 voidaan myös valmistaa etsaamalla kalvossa olevaan metallikerrokseen. Metallikerros voi olla esimerkiksi kuparia tai alumiinia.
Esillä olevan keksinnön sovelluskohteina ovat elintarviketeollisuuden kylmäketjujen tarkkailu tuotepakkauksiin sijoitettavilla indikaattoreilla, muiden lämpötilaherkkien 35 tuotteiden ja tilojen monitorointi, näyttösovellukset, UV-annoksen mittaaminen esim.
henkilökohtaisena UV-säteilymittarina, kosteuden tai paineen mittarit monenlaisissa sovelluspaikoissa, ja esimerkiksi hiilidioksidipitoisuuden mittaaminen ilmasta.
Esillä olevaa keksintöä ei rajata vain edellä esitettyjä sovellusesimerkkejä koskevaksi, vaan keksintö voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten määrittelemän suo5 jän piirissä.

Claims (27)

  1. Patenttivaatimukset
    1. Sähkökemiallinen indikaattori, joka käsittää yhden tai useamman toisiinsa kytketyn sähkökemiallisen kennon (22, 22a-e), jossa kukin kenno käsittää elektrodeina anodin (62, 125b, 133) ja katodin (51-54, 61, 125a, 132, 132a-e) sekä elekt-
    5 rolyytin (17, 127), tunnettu siitä, että ainakin toisen elektrodin fysikaalisten muutosten avulla ilmaistaan kunkin kennon (22, 22a-e) lataustila.
  2. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että indikaattori on valmistettu painettuna, paksukalvotyyppisenä ja koplanaarisena rakenteena.
  3. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että sähkökemi-
    10 allinen kenno (22, 22a-e) puretaan lämpötilan, paineen, säteilyannoksen tai kemiallisen muutoksen funktiona muuttuvan vastuksen tai vastusverkon (21,23, 25, 32ae, 41a-d, 91) kautta.
  4. 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että sähkökemiallinen kenno (22, 22a-e) puretaan lämpötilan tai säteilyannoksen funktiona muut-
    15 tuvan ainakin yhden transistorin (24) sisältävän aktiivisen piirikytkennän kautta.
  5. 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että kennon tai kennojen (22, 22a-e) lataustila tunnistetaan optisesti elektrodin värin perusteella.
  6. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että kennon tai kennojen (22, 22a-e) lataustila tunnistetaan kapasitiivisesti elektrodin dielekthsyys-
    20 vakion muutoksen perusteella.
  7. 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että elektrodin dielekthsyysvakion muutos ilmaistaan elektrodin yhteyteen valmistetun kondensaattorin avulla ja kondensaattori on kytketty UHF-antenniin siten, että elektrodin muutos muuttaa antennin impedanssia, ja kyseinen muutos voidaan ilmaista UHF-tägiä
    25 luettaessa.
  8. 8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että elektrodin dielekthsyysvakion muutos ilmaistaan elektrodin yhteyteen valmistetun kondensaattorin ja kelan muodostaman passiivisen resonanssipiihn avulla.
  9. 9. Patenttivaatimuksen 3 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että kennon tai 30 kennojen (22, 22a-e) lataustila indikoi kennon tai kennojen saamaa lämpöannosta, säteilyannosta, kosteusannosta, paineannostatai kemiallisen yhdisteen pitoisuuden muutosta indikaattorin käynnistyshetkestä lukien.
    20185523 prh 07-06- 2018
  10. 10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että indikaattorissa on useita kennoja (22) kytketty joko rinnan siten, että kullakin kennolla (22) on erikokoinen purkuvastus ja eri purkuvirta, tai useita kennoja (22a-e) on kytketty sarjaan niin, että vain yksi kenno (22a-e) purkautuu sarjamuotoisesti kerrallaan, ja pur-
    5 kautumisen jälkeen kyseisen kennon (22a-e) sisältävä virtapiirin osa sähköisesti aukeaa.
  11. 11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että indikaattorissa on useita kennoja (22) kytketty siten, että purkautuvat kennot muodostavat optisen, digitaalisesti luettavan koodin.
    10
  12. 12. Patenttivaatimukseni mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että kennojen (22,
    22a-e) lataus tehdään erillisten samansuuruisten vastusten kautta, joiden avulla kaikki kennot (22, 22a-e) varautuvat keskenään olennaisesti samansuuruiseen varaukseen indikaattorin valmistusvaiheessa.
  13. 13. Patenttivaatimuksen 1 tai 12 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että elekt15 rodien materiaaleiksi valitaan toiseen Zn ja toiseen Ag2O, jolloin elektrodireaktioi- den jälkeen elektrodien pintamateriaaleiksi muodostuu ZnO ja Ag, vastaavasti.
  14. 14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että kennoja (22, 22a-e) puretaan tai ladataan erillisen virtalähteen avulla.
  15. 15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että kukin kenno
    20 (22, 22a-e) on kytketty elektronisen piirin lähtöön, jolloin kennoa (22, 22a-e) voidaan käyttää elektronisen piirin tilan indikoimiseen.
  16. 16. Patenttivaatimuksen 14 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että sähkökemiallisten kennojen (22, 22a-e)joko anodit (62, 125b, 133) tai katodit (51-54, 61, 125a, 132, 132a-e) on kytketty 7-segment-tyyppiseksi digitaaliseksi näytöksi.
    25
  17. 17. Patenttivaatimuksen 1 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että indikaattori käsittää kytkimen (31, 110, 113, 140), jolla käynnistetään kennon tai kennojen (22, 22a-e) purku tai lataus.
  18. 18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että kahden vierekkäisen tai päällekkäisen johtimen (72) väliin on painettu tai lisätty anisotrooppi30 sesti johtavaa materiaalia (73, 74), jonka avulla kytkentä tehdään puristamalla materiaali johtavaksi.
    20185523 prh 07-06- 2018
  19. 19. Patenttivaatimuksen 18 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että anisotrooppisesti johtava materiaali (73, 74) on pastaa, joka pasta käsittää sidosainetta, jossa sidosaine kovetetaan UV-säteilyllä.
  20. 20. Patenttivaatimuksen 17 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että kytkimen
    5 (31) napojen yhdistämiseen käytetään juotetta, joka sulatetaan joko termokompressiolla, ultraäänellä, laserilla tai piiriin kuuluvalla induktiivisella silmukalla.
  21. 21. Patenttivaatimuksen 17 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että kytkimen (31) napojen yhdistämiseen käytetään krimppausta joko erillisellä metallikappaleella tai metallipartikkeleita sisältävällä painetulla tai lisätyllä pastalla.
    10
  22. 22. Patenttivaatimuksen 17 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että kytkimen (31) napojen yhdistämiseen käytetään painettua metallioksidia, joka valosintrataan johtavaksi voimakkaalla säteilyllä, tai käytetään plasmapurkausta oksidin redusointiin, tai lisätään painoväriin kemiallisia katalysaattoreita, joiden avulla oksidin redusointi nopeutuu ulkoisen energian vaikutuksesta.
    15
  23. 23. Patenttivaatimuksen 17 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että kytkimenä (31) käytetään painettua OFF-tilassa olevaa transistoria, joka kytketään ON-tilaan katkaisemalla käyttöönottohetkellä hilalle johtava virtapiiri.
  24. 24. Patenttivaatimuksen 17 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että indikaattorin piiriin on lisätty kytkinalue, jonka päälle on taitettavissa liuska, jolle on painettu joh-
    20 tavaa liimaa, jossa edelleen johtava liima oikosulkee kytkinalueen ja pitää kytkinalueen yhteen kytkettynä, kun liuska on taitettu kytkinalueen päälle.
  25. 25. Patenttivaatimuksen 17 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että indikaattorin piirissä on kytkinalue (142), jonka vieressä on johtava alue (145) ja tämän vieressä taitettavalla liuskalla johtavaa liimaa (141), jossa johtavan alueen molemmin puolin
    25 johtavan liiman (141) pinnan alueelle ulottuen on kaksi samansuuntaista viiltoa, jotka sijoittuvat taitoksen (144) suhteen symmetrisesti ja kohtisuorassa, jossa viiltojen erottamassa keskisuikaleessa on nuuttaus ylös, ja tämän molemmin puolin nuuttaukset alas, jossa johtava alue (145) oikosulkee kytkinalueen (142) ja johtava liima (141) pitää kytkinalueen (142) yhteen kytkettynä, kun liuska keskisuikaleineen on 30 taitettu kytkinalueen (142) päälle.
  26. 26. Patenttivaatimuksen 17 mukainen indikaattori, tunnettu siitä, että indikaattori käsittää kytkinosan (110) ja kontaktiosan (113), jossa kytkinosa (110) käsittää kaksi likimain kolmionmuotoista reikää (111) symmetrisesti sijoiteltuna ja kaksi kytkinkontaktipäätä (112), ja kontaktiosa (113) käsittää kaksi kielekettä (114) ja johtavan alueen (115), jossa kontaktiosa (113) on liputettavissa ylösalaisin suhteessa kytkinosaan (110) siten, että johtava alue (115) kytkee liputuksen jälkeen kytkinkontaktipäät (112) yhteen, ja samalla kielekkeet (114) asettuvat kolmionmuotoisten 5 reikien (111) kapeampaan päähän lukiten kontaktin paikalleen.
  27. 27. Menetelmä sähkökemiallisen indikaattorin valmistamiseksi, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää seuraavat vaiheet:
    - painetaan tai valmistetaan etsaamalla johdinkerros (124) substraatin päälle
    - painetaan elektrodeiksi anodi (125b) ja katodi (125a) yhtä kennoa kohden johdin10 kerroksen (124) päälle ja elektrodien päälle elektrolyytti (127), ja painetaan tällä tavoin tarvittava määrä toisiinsa kytkettyjä sähkökemiallisia kennoja (22, 22a-e)
    -suojataan rakenne ainakin näkyvää valoa suodattavalla kerroksella (128) siten, että ainakin toinen elektrodeista on nähtävissä indikaattorin ulkopuolelta; ja jossa valmistettua indikaattoria käytettäessä
    15 - kyseisen ainakin toisen elektrodin fysikaalisten muutosten avulla ilmaistaan kunkin kennon (22, 22a-e) lataustila.
FI20185523A 2018-06-07 2018-06-07 Sähkökemiallinen indikaattori ja menetelmä sähkökemiallisen indikaattorin valmistamiseksi FI130414B (fi)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20185523A FI130414B (fi) 2018-06-07 2018-06-07 Sähkökemiallinen indikaattori ja menetelmä sähkökemiallisen indikaattorin valmistamiseksi
PCT/FI2019/050437 WO2019234304A1 (en) 2018-06-07 2019-06-06 An electrochemical indicator and a method for manufacturing an electrochemical indicator
EP19742409.6A EP3803361A1 (en) 2018-06-07 2019-06-06 An electrochemical indicator and a method for manufacturing an electrochemical indicator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20185523A FI130414B (fi) 2018-06-07 2018-06-07 Sähkökemiallinen indikaattori ja menetelmä sähkökemiallisen indikaattorin valmistamiseksi

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FI20185523A1 true FI20185523A1 (fi) 2019-12-08
FI130414B FI130414B (fi) 2023-08-21

Family

ID=67390087

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20185523A FI130414B (fi) 2018-06-07 2018-06-07 Sähkökemiallinen indikaattori ja menetelmä sähkökemiallisen indikaattorin valmistamiseksi

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3803361A1 (fi)
FI (1) FI130414B (fi)
WO (1) WO2019234304A1 (fi)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109193118A (zh) * 2018-09-27 2019-01-11 联想(北京)有限公司 天线结构和电子设备
EP4338095A1 (en) * 2021-05-11 2024-03-20 Elcoflex OY Rfid sensor arrangement and method for its manufacture

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08159880A (ja) * 1994-11-30 1996-06-21 Ykk Kk 温度計および温度履歴計
DE19818717A1 (de) * 1997-04-28 1998-10-29 Wisconsin Label Corp Elektrochemischer Anzeige- und Zeitmeßmechanismus mit wanderndem Elektrolyt
AUPR986502A0 (en) * 2002-01-09 2002-01-31 Helmer, Jonathon Charles Identification system
US7821794B2 (en) * 2005-04-11 2010-10-26 Aveso, Inc. Layered label structure with timer
JP5181759B2 (ja) 2008-03-21 2013-04-10 ソニー株式会社 Ｉｃカード
WO2010003138A1 (en) * 2008-07-03 2010-01-07 Ajjer Llc Novel electrochromic materials, devices and applications of the same
US9543623B2 (en) * 2013-12-11 2017-01-10 Duracell U.S. Operations, Inc. Battery condition indicator
US9568556B2 (en) * 2014-07-25 2017-02-14 Duracell U.S. Operations, Inc. Battery state of charge indicator with an auxiliary cell

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019234304A1 (en) 2019-12-12
WO2019234304A9 (en) 2020-07-02
FI130414B (fi) 2023-08-21
EP3803361A1 (en) 2021-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108353434A (zh) 湿度传感器，包括该传感器的无线设备，以及制造和使用方法
Quintero et al. Smart RFID label with a printed multisensor platform for environmental monitoring
US9471862B2 (en) Intelligent label device and method
JP4851465B2 (ja) 時間温度指示装置
US5626978A (en) Method for securing a tester device to a battery and the battery so produced
FI113895B (fi) Lämpötiladetektori/indikaattori
FI130414B (fi) Sähkökemiallinen indikaattori ja menetelmä sähkökemiallisen indikaattorin valmistamiseksi
US10002360B2 (en) Intelligent adaptive label device and method
EP0495636B2 (en) Battery with tester label
FI114121B (fi) Menetelmä tuoteanturin valmistamiseksi sekä tuoteanturi
US20110163752A1 (en) Apparatuses and Methods for Determining Potential Energy Stored in an Electrochemical Cell
TWI412740B (zh) 檢測試片、生化感測系統、及量測裝置
WO2018160755A1 (en) Connectable smart label or tag, and methods of making and connecting the same
KR101719390B1 (ko) 전자 유체 표시기 및 표시 방법
Shrestha et al. Wireless pH-logger label for intelligent food packaging
WO2015143202A1 (en) An intelligent label device and method
EP3229749B1 (en) Methods and systems for determining the time at which a seal was broken
Pereira et al. Near-field communication tag development on a paper substrate—application to cold chain monitoring
Schwab et al. Calibration of fiber bragg grating-sensors for subsequent temperature and pressure measurements in Li-Ion pouch cells
Ortega et al. A printed and self-powered test strip for digital conductivity measurement of low volume liquid samples
Hermes et al. Doping front migration in intrinsically conductive polymers and its application
Eom et al. Novel Integrated System of RFID Tag and Self-Powered Oxygen Sensor Indicator
Smith et al. Printed Functionalities on Paper Substrates Towards Fulfilment of the ASSURED Criteria
CN116344135A (zh) 具有微型热电偶的实时温度自感电气装置
CA2979367A1 (en) Connectable smart label or tag, and methods of making and connecting the same