DE102017200873B4 - temperature detector - Google Patents
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Abstract
Temperaturdetektor (1) zur zeitlichen Überwachung einer Temperatur umfassend mindestens ein Element (3) umfassend ein Phasenwechselmaterial (2), wobei das Phasenwechselmaterial (2) die Eigenschaft aufweist, dass es bei Überschreitung mindestens eines vorher festgelegten Schwellwertes, welcher zumindest auf einer Temperatur basiert, seinen elektrischen Widerstand ändert.Temperature detector (1) for temporally monitoring a temperature comprising at least one element (3) comprising a phase change material (2), wherein the phase change material (2) has the property that when it exceeds at least one predetermined threshold, which is based on at least one temperature, changes its electrical resistance.
Description
Die Erfindung betrifft einen Temperaturdetektor insbesondere zur zeitlichen Überwachung einer Temperatur.The invention relates to a temperature detector, in particular for temporal monitoring of a temperature.
Es ist bekannt, Temperatursensoren zur zeitlichen Überwachung einer Temperatur beispielsweise beim Transport von Lebensmitteln einzusetzen. Dabei sind aktive Datenlogger und passive Systeme bekannt. Bekannte Lösungen sind regelmäßig aufwendig in der Herstellung und/oder haben nur eine eingeschränkte Funktionalität.It is known to use temperature sensors for monitoring a temperature, for example during the transport of food. Active data loggers and passive systems are known. Known solutions are regularly involved in the production and / or have only limited functionality.
In
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Hiervon ausgehend wird ein Temperaturdetektor gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs vorgestellt. Durch die in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Temperaturdetektors möglich.On this basis, a temperature detector according to the features of the independent claim is presented. By the features listed in the respective dependent claims advantageous refinements and improvements of the temperature detector are possible.
Der Temperaturdetektor ist bevorzugt dazu bestimmt und eingerichtet, eine Temperatur von temperatursensitiven Produkten zu überwachen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass mit dem Temperaturdetektor eine historische Entwicklung einer Temperatur jedenfalls derart überwacht werden kann, dass das Überschreiten eines temperaturbasierten Schwellwertes erkannt werden kann. Der Begriff „Schwellwert“ umfasst hier zunächst normale Temperaturschwellen, die als überschritten gelten, wenn eine bestimmte Temperatur einmalig und gegebenenfalls auch nur für einen sehr kurzen Zeitraum überschritten wurde. Von dem Begriff Schwellwert sind hier aber auch Schwellen umfasst, die neben einer Temperatur auch zeitliche Komponenten berücksichtigen. Dies kann einerseits dadurch realisiert sein, dass ein Schwellwert erst als erreicht gilt, wenn eine bestimmte Temperatur für eine bestimmte Zeitdauer überschritten wird. Von dem Begriff „Schwellwert“ sind hier weiterhin auch Schwellen umfasst, die ein Produkt aus einer Temperatur und einer Zeit darstellen. Liegt eine erste Temperatur über eine erste Zeitspanne vor, ist das zugehörige Produkt aus Temperatur und Zeit genau so groß wie in einem anderen Fall, in dem eine zweite Temperatur über ein zweites Zeitintervall vorliegt, wobei die zweite Temperatur doppelt so groß ist wie die erste Temperatur und die zweite Zeitspanne halb so lang wie die erste Zeitspanne ist. Für solche kombinierten Zeit-Temperatur Schwellwerte ist im Allgemeinen auch üblich, dass das den Schwellwert charakterisierende Produkt jeweils das Produkt einer Zeit und einer Temperaturdifferenz zwischen einer auf den Temperaturdetektor wirkenden Temperatur und einer festgelegten Grenztemperatur ist. Wenn die festgelegte Grenztemperatur 100 °C beträgt, dann würde sich bei einer wirkenden Temperatur von 110 °C über eine Zeitdauer von 5 Minuten beispielsweise ein Schwellwert als Produkt von 5 Minuten und 10 K ergeben. Gegebenenfalls können auch noch deutlich komplexere Zusammenhänge aus Temperatur und Zeit zur Ermittlung bzw. Festlegung von Schwellwerten verwendet werden. Beispielsweise sind Anwendungsfälle denkbar, in denen besonders hohe Temperaturen bei der Berechnung des Schwellwertes überproportional berücksichtigt werden. Übliche Schwellwerte können auch als Integral der Temperatur über die Zeit realisiert sein. Solche Schwellwerte basieren im Allgemeinen auf einer energetischen Betrachtung von Zeit und Temperatur. Für den Übergang aus einer amorphen Phase in eine kristalline Phase ist normalerweise eine Aktivierungsenergie notwendig. Eine Aktivierungsenergie wird durch die Wirkung einer Temperatur auf das Phasenwechselmaterial kontinuierlich aufgebaut. Dies geschieht gegebenenfalls über einen Zeitraum hinweg.The temperature detector is preferably designed and configured to monitor a temperature of temperature sensitive products. In particular, it is preferred that with the temperature detector a historical development of a temperature can be monitored in any case such that the exceeding of a temperature-based threshold value can be detected. The term "threshold" here initially includes normal temperature thresholds, which are considered exceeded when a certain temperature was exceeded once and possibly even for a very short period of time. However, the term threshold also includes thresholds that take into account not only a temperature but also temporal components. On the one hand, this can be realized by the fact that a threshold value is considered to have been reached only when a certain temperature is exceeded for a certain period of time. The term "threshold value" also includes thresholds which represent a product of a temperature and a time. If a first temperature is present over a first period of time, the associated product of temperature and time is exactly as large as in another case where there is a second temperature over a second time interval, the second temperature being twice the first temperature and the second time period is half as long as the first time period. For such combined time-temperature thresholds, it is also generally customary for the product characterizing the threshold value to be the product of a time and a temperature difference between a temperature acting on the temperature detector and a defined limit temperature. For example, if the specified limit temperature is 100 ° C, then, at a working temperature of 110 ° C over a period of 5 minutes, a threshold would result as a product of 5 minutes and 10K. If necessary, even more complex relationships between temperature and time can be used to determine or establish threshold values. For example, use cases are conceivable in which particularly high temperatures are disproportionately taken into account in the calculation of the threshold value. Conventional thresholds may also be implemented as integral of the temperature over time. Such thresholds are generally based on an energetic view of time and temperature. For the transition from an amorphous phase to a crystalline phase usually an activation energy is necessary. An activation energy is continuously built up by the effect of a temperature on the phase change material. This may happen over a period of time.
Beispielsweise kann mit dem Temperaturdetektor die Einhaltung einer Kühlkette beim Transport und/oder bei der Lagerung von Lebensmitteln oder Pharmaprodukten überwacht werden. Insbesondere kann mit dem Temperaturdetektor überprüft werden, ob innerhalb eines Überwachungszeitraums eine Temperatur zumindest zeitweise außerhalb eines vorgegebenen Temperaturfensters lag. Der Temperaturdetektor kann beispielsweise auf eine Produktverpackung aufgeklebt werden.For example, the temperature detector can be used to monitor compliance with a cold chain during transport and / or storage of foods or pharmaceutical products. In particular, it can be checked with the temperature detector whether, within a monitoring period, a temperature was at least temporarily outside a predetermined temperature window. The temperature detector can be glued, for example, on a product packaging.
Das Element umfassend das Phasenwechselmaterial ist bevorzugt als ein elektronisches Bauelement ausgeführt, das mindestens zwei Elektroden als elektrische Kontakte aufweist. Zwischen den beiden Elektroden kann ein elektrischer Widerstand des Elements gemessen werden. Bevorzugt nimmt der elektrische Widerstand einen ersten Wert an, wenn zu keinem Zeitpunkt eines Überwachungszeitraums (der z. B. mit einer Initialisierung des Temperaturdetektors beginnen kann) der festgelegte Schwellwert überschritten wurde. Weiter ist es bevorzugt, dass der elektrische Widerstand einen zweiten Wert annimmt, wenn innerhalb des Überwachungszeitraums der festgelegte Schwellwert überschritten wurde. Damit kann durch eine Widerstandsmessung (zwischen den beiden Elektroden des Elements) ermittelt werden, ob der festgelegte Schwellwert überschritten wurde oder nicht. Dies ist insbesondere auch dann möglich, wenn die Temperatur nach der Überschreitung des Schwellwertes wieder zurückgegangen ist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass aus dem elektrischen Widerstand ein Signal generiert wird, das (bei üblichem Gebrauch des Temperaturdetektors) nur entweder dem ersten Wert des Widerstandes oder dem zweiten Wert des Widerstandes entspricht, aber keine Zwischenwerte annimmt. Ein derartiges Signal kann beispielsweise mit einer Auswerteelektronik aus dem elektrischen Widerstand erhalten werden. Damit kann besonders eindeutig bestimmt werden, ob der Schwellwert überschritten worden ist oder nicht.The element comprising the phase change material is preferably designed as an electronic component having at least two electrodes as electrical contacts. Between the two electrodes, an electrical resistance of the element can be measured. Preferably, the electrical resistance assumes a first value, if at no time during a monitoring period (eg, with an initialization of the Temperature detector can begin) the specified threshold has been exceeded. Furthermore, it is preferable for the electrical resistance to assume a second value if the defined threshold value has been exceeded within the monitoring period. This can be determined by a resistance measurement (between the two electrodes of the element), whether the specified threshold has been exceeded or not. This is possible in particular even if the temperature has fallen again after the threshold value has been exceeded. In particular, it is preferred that a signal is generated from the electrical resistance that corresponds (in conventional use of the temperature detector) only to either the first value of the resistor or the second value of the resistor, but does not assume intermediate values. Such a signal can be obtained, for example, with an evaluation of the electrical resistance. This can be particularly clearly determined whether the threshold has been exceeded or not.
Der Schwellwert kann wahlweise als minimaler (unterer) Schwellwert oder als maximaler (oberer) Schwellwert angelegt sein. Obere und untere Schwellwerte sollen nachfolgend anhand von einfachen, temperaturbasierten Schwellwerten erläutert werden. Wenn der Schwellwert eine „einfache“ Temperaturschwelle ist, dann überschreitet die Temperatur eine minimale (untere) Temperaturschwelle, wenn sie kleiner ist als die minimale (untere) Temperaturschwelle. Die Temperatur überschreitet eine maximale (obere) Temperaturschwelle wenn sie größer ist als die maximale (obere) Temperaturschwelle. Das Prinzip von minimalen (unteren) Schwellwerten und maximalen (oberen) Schwellwerten lässt sich problemlos auch auf andere zeit- und temperaturbasierte Schwellwerte übertragen.The threshold value can optionally be applied as a minimum (lower) threshold value or as a maximum (upper) threshold value. Upper and lower threshold values are explained below on the basis of simple temperature-based threshold values. If the threshold is a "simple" temperature threshold, then the temperature will exceed a minimum (lower) temperature threshold if it is less than the minimum (lower) temperature threshold. The temperature exceeds a maximum (upper) temperature threshold if it is greater than the maximum (upper) temperature threshold. The principle of minimum (lower) thresholds and maximum (upper) thresholds can be easily transferred to other time- and temperature-based thresholds.
Die Änderung des elektrischen Widerstands des Elements kann durch das Phasenwechselmaterial bewirkt werden. Das Phasenwechselmaterial ist dabei bevorzugt derart zwischen den beiden Elektroden angeordnet, dass ein elektrischer Strom von einer ersten der Elektroden zu einer zweiten der Elektroden zumindest teilweise durch das Phasenwechselmaterial fließen kann. Das Phasenwechselmaterial kann bevorzugt in mindestens zwei verschiedene Phasen gebracht werden. Zumindest zu Beginn des Überwachungszeitraums liegt das Phasenwechselmaterial bevorzugt zumindest teilweise (d.h. zumindest an einigen Stellen) in der amorphen Phase vor. Weiterhin kann das Phasenwechselmaterial bevorzugt in einer kristallinen Phase vorliegen. Durch Kristallisieren kann das Phasenwechselmaterial aus der amorphen Phase in die kristalline Phase überführt werden. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Phasenwechselmaterial durch ein Initialisieren in die amorphe Phase überführt werden kann (insbesondere wenn es zuvor in der kristallinen Phase vorlag). Mit dem Initialisieren wird der Überwachungszeitraum begonnen. Das Prinzip der Überwachung im Überwachungszeitraum soll hier der Einfachheit halber anhand einer Temperaturschwelle als Schwellwert beschrieben werden. Überschreitet eine Temperatur des Temperaturdetektors nach der Initialisierung (d.h. innerhalb des Überwachungszeitraums) die Temperaturschwelle, geht das Phasenwechselmaterial bevorzugt durch Kristallisieren (wieder) in die kristalline Phase über. Das bedeutet, dass das Phasenwechselmaterial durch Aufsammeln von Temperatureinflüssen in die kristalline Phase übergehen kann. Beispielsweise kann das Phasenwechselmaterial durch eine besonders hohe Temperatur besonders schnell in die kristalline Phase übergehen. Auch kann das Phasenwechselmaterial durch Einwirkung einer niedrigeren Temperatur über eine entsprechend längere Zeit in die kristalline Phase übergehen. Der Phasenwechsel erfolgt, sobald eine Aktivierungsenergie des Phasenwechselmaterials überschritten ist. Das Phasenwechselmaterial kann durch Temperatureinfluss Energie aufsammeln, wobei um so mehr (und damit um so schneller) Energie aufgesammelt wird, je höher die Temperatur ist. Diese Prinzipien sind auf beliebige andere zeit- und temperaturbasierte Schwellwerte übertragbar.The change of the electrical resistance of the element can be effected by the phase change material. The phase change material is preferably arranged between the two electrodes in such a way that an electric current can flow at least partially through the phase change material from a first of the electrodes to a second one of the electrodes. The phase change material may preferably be brought into at least two different phases. At least at the beginning of the monitoring period, the phase change material is preferably at least partially (i.e., at least in some places) in the amorphous phase. Furthermore, the phase change material may preferably be present in a crystalline phase. By crystallization, the phase change material can be converted from the amorphous phase to the crystalline phase. Furthermore, it is preferred that the phase change material can be converted into the amorphous phase by initialization (in particular if it was previously present in the crystalline phase). Initializing starts the monitoring period. The principle of monitoring in the monitoring period should be described here for the sake of simplicity based on a temperature threshold as a threshold. If a temperature of the temperature detector after initialization (i.e., within the monitoring period) exceeds the temperature threshold, the phase change material preferably transitions (re) into the crystalline phase by crystallization. This means that the phase change material can be transferred to the crystalline phase by collecting temperature influences. For example, the phase change material can pass through a particularly high temperature particularly fast in the crystalline phase. Also, the phase change material can pass by exposure to a lower temperature over a correspondingly longer time in the crystalline phase. The phase change occurs as soon as an activation energy of the phase change material is exceeded. The phase change material can collect energy through the influence of temperature, with the higher the temperature, the more energy (and thus the faster) energy is collected. These principles are transferable to any other time and temperature based thresholds.
Das Phasenwechselmaterial kann bevorzugt durch Initialisieren in eine erste Phase überführt werden (insbesondere wenn es zuvor in einer zweiten Phase vorlag). Wird nach der Initialisierung der Schwellwert überschritten, geht das Phasenwechselmaterial bevorzugt in die zweite Phase über. Wird eine derartige Überschreitung des Schwellwertes detektiert, kann z. B. das mit dem Temperaturdetektor überwachte Lebensmittelprodukt aussortiert werden. Nachdem der Schwellwert einmal überschritten worden ist, kann das Phasenwechselmaterial bevorzugt nicht durch Manipulation in die erste Phase zurückgeführt werden.The phase change material may preferably be converted into a first phase by initialization (in particular if it was previously present in a second phase). If the threshold value is exceeded after the initialization, the phase change material preferably goes into the second phase. If such an excess of the threshold detected, z. B. the monitored with the temperature detector food product can be sorted out. Once the threshold has been exceeded, the phase change material may preferably not be returned to the first phase by manipulation.
Der Schwellwert ist eine Materialeigenschaft des Phasenwechselmaterials. Bevorzugt kann der Schwellwert daher durch Wahl des Phasenwechselmaterials festgelegt werden.The threshold value is a material property of the phase change material. Preferably, the threshold value can therefore be determined by selecting the phase change material.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Temperaturdetektor weiterhin eine RFID-Antenne, die mit dem Phasenwechselmaterial verbunden ist.In a preferred embodiment, the temperature detector further comprises an RFID antenna connected to the phase change material.
Bevorzugt erfolgt die Initialisierung und/oder das Auslesen des Temperaturdetektors mittels einer elektrischen Schaltung im Temperaturdetektor. Die elektrische Schaltung umfasst bevorzugt die RFID-Antenne. Bei der RFID-Antenne handelt es sich bevorzugt um einen Sender und/oder Empfänger für eine elektromagnetische Welle. Über die elektromagnetische Welle kann bevorzugt eine Funkverbindung zwischen dem Temperaturdetektor und einem Kommunikationsgerät hergestellt werden. Bevorzugt weisen sowohl der Temperaturdetektor als auch das Kommunikationsgerät elektronische Bauteile zur Verschlüsselung von gesendeten und/oder empfangenen Signalen auf. Auch bevorzugt ist, dass ein Passwortschutz für bestimmte Funktionen wie beispielsweise die Initialisierung des Temperaturdetektors vorgesehen ist. Damit kann eine Manipulation des Temperaturdetektors durch Unberechtigte besonders gut verhindert werden. Bevorzugt erfolgt eine Initialisierung des Temperatursensors bzw. des Phasenwechselmaterials, indem über das Kommunikationsgerät ein Initialisierungssignal an den Temperaturdetektor übermittelt wird. Bevorzugt erfolgt ein Auslesen des Temperaturdetektors ebenfalls über ein (gegebenenfalls anderes) Kommunikationsgerät. Ein anderes Kommunikationsgerät ist hier ein Kommunikationsgerät, welches sich von dem Kommunikationsgerät zum Initialisieren des Temperaturdetektors unterscheidet. Beispielsweise wird über das (andere) Kommunikationsgerät ein Auslesesignal an den Temperaturdetektor übermittelt. Daraufhin wird ein elektrischer Widerstand des Phasenwechselmaterials ermittelt und als Antwortsignal codiert an das Kommunikationsgerät übermittelt. In dem Kommunikationsgerät wird das Antwortsignal bevorzugt in eine visuelle Anzeige umgeformt und so für einen Benutzer sichtbar. Beispielsweise kann das Kommunikationsgerät den Text „nicht ok“ oder „ok“ anzeigen, je nachdem, ob der gemessene elektrische Widerstand auf eine Überschreitung des Schwellwerts hinweist oder nicht.Preferably, the initialization and / or the readout of the temperature detector by means of an electrical circuit in the temperature detector. The electrical circuit preferably comprises the RFID antenna. The RFID antenna is preferably a transmitter and / or receiver for an electromagnetic wave. About the electromagnetic wave may preferably be a radio link between the temperature detector and a communication device are manufactured. Both the temperature detector and the communication device preferably have electronic components for encrypting transmitted and / or received signals. It is also preferred that password protection is provided for certain functions, such as the initialization of the temperature detector. Thus, a manipulation of the temperature detector by unauthorized persons can be particularly well prevented. An initialization of the temperature sensor or of the phase change material preferably takes place in that an initialization signal is transmitted to the temperature detector via the communication device. Preferably, the temperature detector is also read out via a (possibly different) communication device. Another communication device here is a communication device that is different from the communication device for initializing the temperature detector. For example, a read-out signal is transmitted to the temperature detector via the (other) communication device. Then, an electrical resistance of the phase change material is determined and transmitted as a response signal is transmitted to the communication device. In the communication device, the response signal is preferably converted into a visual display and thus visible to a user. For example, the communication device may display the text "not ok" or "ok" depending on whether or not the measured electrical resistance is indicative of exceeding the threshold.
Beispielsweise kann die elektrische Schaltung als ein Schwingkreis realisiert sein. Der Schwingkreis umfasst bevorzugt eine elektrische Spule (als RFID-Antenne), einen Kondensator und mindestens ein Element umfassend ein Phasenwechselmaterial (als einen elektrischen Widerstand). Der elektrische Widerstand des Elements kann eine Schwingungsfrequenz und/oder Dämpfung einer elektromagnetischen Schwingung in dem Schwingkreis beeinflussen. Damit kann der elektrische Widerstand aus Schwingungseigenschaften des Schwingkreises bestimmt werden. Auch kann parallel zu dem Element umfassend das Phasenwechselmaterial ein zusätzlicher elektrischer Widerstand geschaltet sein. Damit können die Schwingungseigenschaften des Schwingkreises z. B. derart beeinflusst werden, dass ein Auslesen besonders einfach möglich ist.For example, the electrical circuit can be realized as a resonant circuit. The resonant circuit preferably comprises an electrical coil (as RFID antenna), a capacitor and at least one element comprising a phase change material (as an electrical resistance). The electrical resistance of the element may influence an oscillation frequency and / or attenuation of an electromagnetic oscillation in the resonant circuit. Thus, the electrical resistance of vibration characteristics of the resonant circuit can be determined. Also, parallel to the element comprising the phase change material may be connected an additional electrical resistance. Thus, the vibration characteristics of the resonant circuit z. B. be influenced so that a read is particularly easy.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Temperaturdetektors kristallisiert das Phasenwechselmaterial bei Überschreitung des vorher festgelegten Schwellwerts.In a further preferred embodiment of the temperature detector, the phase change material crystallizes when the previously defined threshold value is exceeded.
Bevorzugt ist die erste Phase des Phasenwechselmaterials eine amorphe Phase und die zweite Phase eine kristalline Phase. In der kristallinen Phase sind Atome und/oder Moleküle des Phasenwechselmaterials in einer regelmäßigen Kristallgitterstruktur angeordnet. In der amorphen Phase besteht keine kristalline Ordnung. In der amorphen Phase kann die mangelnde Ordnung der Atome und/oder Moleküle einen gegenüber der kristallinen Phase erhöhten elektrischen Widerstand bewirken. Bevorzugt weist das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase einen größeren elektrischen Widerstand auf als in der kristallinen Phase. Es ist aber auch möglich, ein Phasenwechselmaterial zu verwenden, das in der amorphen Phase einen kleineren elektrischen Widerstand aufweist als in der kristallinen Phase.Preferably, the first phase of the phase change material is an amorphous phase and the second phase is a crystalline phase. In the crystalline phase, atoms and / or molecules of the phase change material are arranged in a regular crystal lattice structure. There is no crystalline order in the amorphous phase. In the amorphous phase, the lack of order of the atoms and / or molecules can cause an increased electrical resistance compared to the crystalline phase. Preferably, the phase change material in the amorphous phase has a greater electrical resistance than in the crystalline phase. However, it is also possible to use a phase change material which has a smaller electrical resistance in the amorphous phase than in the crystalline phase.
Das Phasenwechselmaterial kann insbesondere durch Temperatureinfluss von einer Phase in eine andere Phase überführt werden (Phasenwechsel). Aus der kristallinen Phase kann das Phasenwechselmaterial durch Erwärmen (insbesondere über die Schmelztemperatur) und anschließendes schnelles Abkühlen in die amorphe Phase überführt werden. Unter einem schnellen Abkühlen wird hier insbesondere verstanden, dass das Phasenwechselmaterial innerhalb von einigen Nanosekunden, maximal wenigen Mikrosekunden, jedenfalls nahezu die Temperatur wieder annimmt, die vor dem Erwärmen vorlag. Ein derart schnelles Abkühlen kann erreicht werden, indem das Phasenwechselmaterial nur lokal erwärmt wird, während die Umgebung des Phasenwechselmaterials nicht erwärmt wird. In dem Fall kann das erwärmte Phasenwechselmaterial sehr schnell seine Wärme an die (deutlich kältere) Umgebung abgeben. Bei einer hinreichend hohen Temperatur (insbesondere oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials) wird die kristalline Ordnung der Atome und/oder Moleküle des Phasenwechselmaterials aufgehoben. Kühlt das Phasenwechselmaterial von einer derartigen Temperatur ab, wird die kristalline Struktur unter bestimmten Bedingungen wiederhergestellt. Das ist jedenfalls bei solchen Materialien der Fall, die bei Abkühlung spontan (d. h. ohne weitere äußere Einflüsse) die kristalline Phase ausbilden. Das für den Temperaturdetektor verwendete Phasenwechselmaterial weist bevorzugt diese Eigenschaft auf. Wird das Phasenwechselmaterial nach Erwärmen auf die hinreichend hohe Temperatur (insbesondere oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials) sehr schnell abgekühlt, kann das Phasenwechselmaterial erstarren, bevor die kristalline Struktur ausgebildet werden kann. Damit kann die amorphe Phase entstehen. Solche Effekte sind für die Initialisierung des Temperaturdetektors nutzbar.The phase change material can be converted in particular by the influence of temperature from one phase to another phase (phase change). From the crystalline phase, the phase change material can be converted by heating (in particular above the melting temperature) and subsequent rapid cooling in the amorphous phase. Rapid cooling is understood here to mean, in particular, that within a few nanoseconds, at most a few microseconds, the phase change material at least almost resumes the temperature that existed before the heating. Such rapid cooling can be accomplished by only locally heating the phase change material while not heating the phase change material environment. In that case, the heated phase change material can very quickly transfer its heat to the (much colder) environment. At a sufficiently high temperature (in particular above the melting temperature of the phase change material), the crystalline order of the atoms and / or molecules of the phase change material is abolished. When the phase change material cools from such a temperature, the crystalline structure is restored under certain conditions. This is the case in any case with materials that spontaneously (ie without further external influences) form the crystalline phase when cooled. The phase change material used for the temperature detector preferably has this property. If the phase change material is cooled very rapidly after heating to the sufficiently high temperature (in particular above the melting temperature of the phase change material), the phase change material can solidify before the crystalline structure can be formed. This can create the amorphous phase. Such effects can be used for the initialization of the temperature detector.
Das Phasenwechselmaterial kann weiterhin bevorzugt durch einen äußeren Temperatureinfluss aus der amorphen Phase in die kristalline Phase überführt werden. Insbesondere kann das Phasenwechselmaterial aus der amorphen Phase in die kristalline Phase überführt werden, wenn ein Schwellwert überschritten wird. Der Schwellwert ist beispielsweise das Produkt aus einer Temperatur und einer Zeit, das für einen Übergang des Phasenwechselmaterials aus der amorphen Phase in die kristalline Phase mindestens erreicht werden muss. Solche Schwellwerte sind damit eine Materialeigenschaft des Phasenwechselmaterials. Bevorzugt können solche Schwellwerte daher durch Wahl des Phasenwechselmaterials festgelegt werden. Es ist auch möglich, in einem Temperaturdetektor eine Mehrzahl von verschiedenen Phasenwechselmaterialien zu verwenden und damit eine Mehrzahl von Schwellwerten zeitgleich zu überwachen oder eine gezielte Kombination aus Schwellwerten vorzusehen, die mit einem einzelnen Phasenwechselmaterial nicht möglich wäre.The phase change material can furthermore preferably be converted from the amorphous phase into the crystalline phase by an external temperature influence. In particular, the phase change material may be transferred from the amorphous phase to the crystalline phase when a threshold is exceeded. The threshold is For example, the product of a temperature and a time that must be at least achieved for a transition of the phase change material from the amorphous phase to the crystalline phase. Such threshold values are thus a material property of the phase change material. Preferably, such threshold values can therefore be determined by selecting the phase change material. It is also possible to use in a temperature detector a plurality of different phase change materials and thus to monitor a plurality of thresholds at the same time or to provide a targeted combination of thresholds that would not be possible with a single phase change material.
Insbesondere eine Erwärmung des gesamten Temperaturdetektors einschließlich des Phasenwechselmaterials kann dazu führen, dass das Phasenwechselmaterial aus der amorphen Phase in die kristalline Phase übergeht. Wird das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase über eine Mindesttemperatur erwärmt und langsam abgekühlt, geht das Phasenwechselmaterial bevorzugt in die kristalline Phase über. Durch das langsame Abkühlen kann sich die kristalline Ordnung einstellen, bevor das Phasenwechselmaterial erstarrt. Anders als bei der zuvor beschriebenen lokalen Erwärmung des Phasenwechselmaterials wird auch die Umgebung des Phasenwechselmaterials bei Erwärmen des gesamten Temperaturdetektors mit erwärmt. Damit kann das Phasenwechselmaterial nicht schnell durch Wärmetausch mit der Umgebung abkühlen.In particular, heating the entire temperature detector, including the phase change material, may cause the phase change material to transition from the amorphous phase to the crystalline phase. If the phase change material in the amorphous phase is heated above a minimum temperature and cooled slowly, the phase change material preferably passes into the crystalline phase. Due to the slow cooling, the crystalline order can be adjusted before the phase change material solidifies. Unlike the previously described local heating of the phase change material, the environment of the phase change material is also heated when the entire temperature detector is heated. Thus, the phase change material can not cool quickly by heat exchange with the environment.
Auch bevorzugt ist es, dass das Phasenwechselmaterial in verschieden große Bereiche amorpher Phase resultierend in verschieden großen elektrischen Widerständen gebracht werden kann. Durch mehrfaches iteratives Initialisieren und/oder Auslesen eines Elements kann erreicht und erkannt werden, dass eine bestimmte Anordnung aus amorpher und kristalliner Phase vorliegt. Durch die Mehrzahl von verschiedenen möglichen Anordnungen kann bei der Initialisierung des Temperaturdetektors zwischen verschiedenen Schwellwerten unabhängig vom Phasenwechselmaterial gewählt werden. Ein bestimmter Temperaturdetektor kann damit (gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeiten) zur Überwachung einer Mehrzahl von verschiedenen Schwellwerten verwendet werden.It is also preferred that the phase change material can be brought into different sized areas of amorphous phase resulting in different sized electrical resistances. By multiple iterative initialization and / or readout of an element can be achieved and recognized that a particular arrangement of amorphous and crystalline phase is present. Due to the plurality of different possible arrangements, it is possible to choose between different threshold values independently of the phase change material during the initialization of the temperature detector. A particular temperature detector may thus be used (simultaneously or at different times) to monitor a plurality of different thresholds.
Nachdem der Schwellwert einmal überschritten worden ist, kann das Phasenwechselmaterial bevorzugt nicht durch Manipulation in die amorphe Phase zurückgeführt werden. Insbesondere durch ein nachträgliches Abkühlen des (gesamten) Temperaturdetektors und/oder durch ein nachträgliches Erwärmen des (gesamten) Temperaturdetektors kann die amorphe Phase bevorzugt nicht wiederhergestellt werden.Once the threshold has been exceeded, the phase change material preferably can not be recycled by manipulation into the amorphous phase. In particular, by a subsequent cooling of the (total) temperature detector and / or by a subsequent heating of the (entire) temperature detector, the amorphous phase can preferably not be restored.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Temperaturdetektors kann das Phasenwechselmaterial durch einen elektrischen Strom amorphisiert werden.In a further preferred embodiment of the temperature detector, the phase change material can be amorphized by an electric current.
Das Phasenwechselmaterial in dem Element des Temperaturdetektors kann insbesondere dadurch von der kristallinen in die amorphe Phase überführt werden, dass ein Strompuls (insbesondere über die beiden Elektroden) durch das Phasenwechselmaterial geleitet wird. Durch resistives Erwärmen kann dabei das Phasenwechselmaterial auf eine für die Überführung in die amorphe Phase notwendige Temperatur gebracht werden. Die Umgebung des Phasenwechselmaterials wird dabei bevorzugt nicht erwärmt. Das Phasenwechselmaterial kann also durch einen Strompuls lokal erwärmt werden. Anschließend kann die Wärme des Phasenwechselmaterials an die Umgebung abgegeben werden. Da die Umgebung des Phasenwechselmaterials nicht mit erwärmt wurde, kann dies sehr schnell erfolgen und das Phasenwechselmaterial in die amorphe Phase übergehen. Die Kristallisation des Phasenwechselmaterials kann bevorzugt aufgelöst werden, indem über einen ausreichend langen Zeitraum ein Strom zwischen den Elektroden anliegt, der größer als ein Schwellstrom ist. Das Auslesen (d. h. das Messen des elektrischen Widerstandes) erfolgt hingegen bevorzugt durch Anlegen eines Stroms unterhalb dieses Schwellstroms, so dass beim Auslesen kein Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials herbeigeführt wird.The phase change material in the element of the temperature detector can in particular be transferred from the crystalline to the amorphous phase in that a current pulse (in particular via the two electrodes) is passed through the phase change material. By resistive heating, the phase change material can be brought to a temperature necessary for the transfer to the amorphous phase. The environment of the phase change material is preferably not heated. The phase change material can therefore be locally heated by a current pulse. Subsequently, the heat of the phase change material can be released to the environment. Since the environment of the phase change material was not heated with, this can be done very quickly and transition the phase change material in the amorphous phase. The crystallization of the phase change material may preferably be resolved by applying a current between the electrodes that is greater than a threshold current for a sufficiently long period of time. On the other hand, the read-out (that is, the measurement of the electrical resistance) preferably takes place by applying a current below this threshold current, so that no phase change of the phase-change material is brought about during readout.
Bevorzugt kann der Überwachungszeitraum (d. h. der Zeitraum, über den die Temperatur überwacht wird) durch eine Initialisierung gestartet werden. Insbesondere deshalb weist der Temperaturdetektor in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens zwei Elektroden zum Einleiten eines Stroms zur Initialisierung des Temperaturdetektors auf.Preferably, the monitoring period (i.e., the period over which the temperature is monitored) may be started by initialization. In particular, therefore, in a preferred embodiment, the temperature detector has at least two electrodes for introducing a current for initializing the temperature detector.
Bei den mindestens zwei Elektroden handelt es sich bevorzugt um die weiter vorne beschriebenen Elektroden, zwischen denen auch der elektrische Widerstand des Phasenwechselmaterials gemessen werden kann.The at least two electrodes are preferably the electrodes described further above, between which the electrical resistance of the phase change material can also be measured.
Die Initialisierung erfolgt bevorzugt mittels eines Strompulses zwischen den Elektroden. Damit wird das Phasenwechselmaterial, das vorher bevorzugt in der kristallinen Phase vorlag, bevorzugt in die amorphe Phase überführt. Nach der Initialisierung erfährt das Phasenwechselmaterial bevorzugt keine weitere resistive Erwärmung durch einen Stromfluss. Bevorzugt werden die Elektroden während des Überwachungszeitraums nicht kontaktiert. Bevorzugt ist insbesondere sichergestellt, dass die Elektroden während des Überwachungszeitraums nicht zugänglich sind. Das kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass von außen zugängliche Bereiche der Elektroden durch Aufkleber versiegelt werden, wobei die Aufkleber nicht zerstörungsfrei entfernt werden können. Damit kann ausgeschlossen werden, dass während des Überwachungszeitraums der Temperaturdetektor erneut initialisiert wird und damit eine Überschreitung des Schwellwerts verborgen wird.The initialization preferably takes place by means of a current pulse between the electrodes. Thus, the phase change material, which was previously preferably present in the crystalline phase, preferably converted into the amorphous phase. After initialization, the phase change material preferably undergoes no further resistive heating by a current flow. Preferably, the electrodes are not contacted during the monitoring period. In particular, it is preferably ensured that the electrodes are not accessible during the monitoring period. This can for example be done by externally accessible areas of the electrodes be sealed by stickers, the stickers can not be removed non-destructively. This can be ruled out that during the monitoring period, the temperature detector is reinitialized and thus an excess of the threshold value is hidden.
Eine Temperaturerhöhung kann das Phasenwechselmaterial während des Überwachungszeitraums bevorzugt nur durch eine Erwärmung des gesamten Temperaturdetektors erfahren (insbesondere einschließlich z. B. einer Produktverpackung, auf die der Temperaturdetektor aufgebracht ist). Wird auf diese Weise nach der Initialisierung eine Mindesttemperatur überschritten, kann das Phasenwechselmaterial nicht schnell abkühlen. Es geht damit in die kristalline Phase über. Wird an dem Element des Temperaturdetektors ein elektrischer Widerstand gemessen, der dem Phasenwechselmaterial in der kristallinen Phase entspricht, bedeutet dies, dass seit der Initialisierung der Schwellwert überschritten worden ist.A temperature increase may preferably be experienced by the phase change material during the monitoring period only by heating the entire temperature detector (in particular, including, for example, a product package to which the temperature detector is applied). If a minimum temperature is exceeded in this way after the initialization, the phase change material can not cool down quickly. It goes into the crystalline phase. If an electrical resistance corresponding to the phase change material in the crystalline phase is measured on the element of the temperature detector, this means that the threshold value has been exceeded since initialization.
Das Phasenwechselmaterial kann allerdings bevorzugt durch einen erneuten Strompuls in die amorphe Phase zurückgeführt werden. Damit kann der Temperaturdetektor wiederverwendet werden.However, the phase change material can preferably be returned to the amorphous phase by a renewed current pulse. Thus, the temperature detector can be reused.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Temperaturdetektors ist das Phasenwechselmaterial in Form einer Schicht auf einem Trägersubstrat aufgebaut.In a further preferred embodiment of the temperature detector, the phase change material is constructed in the form of a layer on a carrier substrate.
Das Element umfassend das Phasenwechselmaterial kann bevorzugt über Dünnschichttechnologien hergestellt werden. Das Trägersubstrat ist bevorzugt ein Siliziumsubstrat. Auf das Trägersubstrat wird bevorzugt zunächst eine erste Elektrode (z. B. in der Form einer Goldschicht) aufgebracht. Darauf wird bevorzugt eine Schicht des Phasenwechselmaterials aufgebracht (wobei bevorzugt ein Teil der ersten Elektrode nicht beschichtet wird, damit die erste Elektrode kontaktierbar ist). Anschließend wird bevorzugt auf das Phasenwechselmaterial eine zweite Elektrode (z. B. in der Form einer weiteren Goldschicht) aufgebracht. Auch kann das Trägersubstrat bereits elektrisch leitend ausgeführt sein (z. B. umfassend dotiertes Silizium). In dem Fall kann das Trägersubstrat als erste Elektrode verwendet werden. Bevorzugt weisen die erste Elektrode, die zweite Elektrode und die Schicht des Phasenwechselmaterials jeweils eine Schichtdicke im Bereich von 30 nm bis 300 nm [Nanometer], insbesondere im Bereich von 70 nm bis 150 nm auf.The element comprising the phase change material may preferably be produced via thin film technologies. The carrier substrate is preferably a silicon substrate. A first electrode (for example in the form of a gold layer) is preferably first applied to the carrier substrate. Then, preferably, a layer of the phase change material is applied (wherein preferably a part of the first electrode is not coated so that the first electrode is contactable). Subsequently, a second electrode (for example in the form of a further gold layer) is preferably applied to the phase change material. The carrier substrate can also be embodied as electrically conductive (for example, comprising doped silicon). In that case, the carrier substrate may be used as the first electrode. The first electrode, the second electrode and the layer of the phase change material preferably each have a layer thickness in the range from 30 nm to 300 nm [nanometers], in particular in the range from 70 nm to 150 nm.
Es kann vorteilhaft sein, eine Kontaktfläche zwischen dem Phasenwechselmaterial und zumindest einer der Elektroden lokal zu begrenzen. Damit kann insbesondere ein Stromfluss durch das Phasenwechselmaterial lokal eingegrenzt werden. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem isolierenden Material (wie z. B. SiO2 [Siliziumdioxid]) auf die erste Elektrode aufgebracht werden, z. B. mit einer Schichtdicke im Bereich von 30 nm bis 300 nm [Nanometer], insbesondere im Bereich von 70 nm bis 150 nm. Die Schicht des isolierenden Materials kann beispielsweise eine Öffnung aufweisen, in welcher das Phasenwechselmaterial mit der ersten Elektrode in Kontakt kommen kann. Die Öffnung weist bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von von 100 nm bis 600 nm [Nanometer], insbesondere im Bereich von 250 nm bis 350 nm auf.It may be advantageous to locally limit a contact surface between the phase change material and at least one of the electrodes. In particular, a flow of current through the phase change material can be limited locally. For example, a layer of insulating material (such as SiO 2 [silicon dioxide]) may be applied to the first electrode, e.g. Example, with a layer thickness in the range of 30 nm to 300 nm [nanometer], in particular in the range of 70 nm to 150 nm. The layer of insulating material, for example, have an opening in which the phase change material can come into contact with the first electrode , The opening preferably has a diameter in the range from 100 nm to 600 nm [nanometers], in particular in the range from 250 nm to 350 nm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Temperaturdetektors ist das Phasenwechselmaterial auf Basis von Ge-Sb-Te Verbindungen ausgebildet.In a further preferred embodiment of the temperature detector, the phase change material is formed on the basis of Ge-Sb-Te compounds.
Insbesondere Verbindungen aus Ge [Germanium], Sb [Antimon] und/oder Te [Tellur] können die Eigenschaften aufweisen, die als für das Phasenwechselmaterial bevorzugt beschrieben wurden. Bevorzugt ist das Phasenwechselmaterial im Wesentlichen mit Sb und/oder Te gebildet und mit Ge dotiert.In particular, compounds of Ge [germanium], Sb [antimony] and / or Te [tellurium] may have the properties which have been described as preferred for the phase change material. Preferably, the phase change material is formed essentially with Sb and / or Te and doped with Ge.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Temperaturdetektor einen Kondensator für eine elektrische Ladung, welche in das Phasenwechselmaterial eingeleitet werden kann, um den Temperaturdetektor zu initialisieren. In a further preferred embodiment, the temperature detector comprises a capacitor for an electrical charge which may be introduced into the phase change material to initialize the temperature detector.
Auf dem Kondensator ist bevorzugt eine elektrische Ladung gespeichert. Diese elektrische Ladung kann in Form eines Strompulses in das Phasenwechselmaterial eingeleitet werden und damit den Temperaturdetektor initialisieren. Der Temperaturdetektor ist bevorzugt derart ausgeführt, dass ein Wiederaufladen des Kondensators (beispielsweise mangels von außen zugänglicher Kontakte) nicht möglich ist. In dem Fall kann eine Manipulation des Temperaturdetektors (d.h. insbesondere eine unberechtigte erneute Initialisierung bzw. ein unberechtigtes Zurücksetzen) verhindert werden. Alternativ ist es bevorzugt, dass der Kondensator vom Berechtigten z. B. über eine Batterie und/oder über das RFID-Signal wieder aufgeladen werden kann, so dass der Temperaturdetektor wiederverwendbar ist. Alternativ kann auch die aus dem RFID-Signal oder einer anderen drahtlosen Energieübertragung (z.B. aus einer induktiven Kopplung) im Temperaturdetektor gesammelte Energie direkt zum Initialisieren verwendet werden.An electrical charge is preferably stored on the capacitor. This electrical charge can be introduced in the form of a current pulse in the phase change material and thus initialize the temperature detector. The temperature detector is preferably designed such that a recharging of the capacitor (for example, for lack of externally accessible contacts) is not possible. In that case, manipulation of the temperature detector (i.e., especially unauthorized re-initialization) can be prevented. Alternatively, it is preferred that the capacitor from the entitled z. B. can be recharged via a battery and / or via the RFID signal, so that the temperature detector is reusable. Alternatively, the energy collected from the RFID signal or other wireless energy transfer (e.g., from inductive coupling) in the temperature detector may also be used directly for initialization.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Temperaturdetektor mehrere Elemente umfassend Phasenwechselmaterialien mit verschiedenen festgelegten Schwellwerten zur Überwachung einer Mehrzahl von verschiedenen Schwellwerten auf.In a further preferred embodiment, the temperature detector comprises a plurality of elements comprising phase change materials having different predetermined thresholds for monitoring a plurality of different thresholds.
Mit einem einzelnen Element umfassend ein Phasenwechselmaterial kann bevorzugt die Überschreitung eines einzelnen Schwellwerts erfolgen. Um eine genauere Aussage über die historische Entwicklung einer Temperatur zu erhalten, sind in dieser Ausführungsform mehrere Elemente umfassend Phasenwechselmaterialien mit verschiedenen festgelegten Schwellwerten vorgesehen. Bevorzugt ist der Temperaturdetektor derart ausgeführt, dass jedes der Elemente (einzeln oder gemeinsam) initialisiert werden kann. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Temperaturdetektor derart ausgeführt ist, dass für jedes der Elemente jeweils ein elektrischer Widerstand ausgelesen werden kann. In dieser Ausführungsform kann nicht nur das Überschreiten eines Schwellwertes erkannt werden, sondern auch ein Ausmaß der Überschreitung. Das bedeutet, dass (jedenfalls in Form von diskreten Werten) ermittelt werden kann, um wie viel ein Schwellwert überschritten wurde. With a single element comprising a phase change material, it may be preferable to exceed a single threshold value. In order to obtain a more accurate statement about the historical development of a temperature, in this embodiment several elements comprising phase change materials with different specified threshold values are provided. Preferably, the temperature detector is designed such that each of the elements (individually or jointly) can be initialized. Furthermore, it is preferred that the temperature detector is designed such that an electrical resistance can be read out for each of the elements. In this embodiment, not only the exceeding of a threshold value can be recognized, but also an extent of the overshoot. This means that (at least in the form of discrete values) it can be determined by how much a threshold has been exceeded.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Temperaturdetektors sind die mehreren Elemente als eine Parallelschaltung miteinander verbunden, wobei ein elektrischer Gesamtwiderstand der Parallelschaltung ein diskretes Maß für eine historisch maximal erreichte Temperatur ist.In a further preferred embodiment of the temperature detector, the plurality of elements are connected together as a parallel circuit, wherein a total electrical resistance of the parallel circuit is a discrete measure of a historically maximum reached temperature.
Bei einer Parallelschaltung einer Mehrzahl von Bauteilen mit einem elektrischen Widerstand (hier von Elementen umfassend Phasenwechselmaterialien) verteilt sich ein Stromfluss auf die einzelnen Bauteile. Der Anteil des (gesamten) Stroms, der durch ein bestimmtes der Bauteile fließt, ist um so größer, je kleiner der elektrische Widerstand dieses Bauteils ist.In a parallel connection of a plurality of components with an electrical resistance (here of elements comprising phase change materials), a current flow is distributed to the individual components. The proportion of the (total) current flowing through a particular one of the components is greater the smaller the electrical resistance of this component.
Durch Messung eines elektrischen Widerstandes der Parallelschaltung kann ermittelt werden, in wie vielen der Elemente das Phasenwechselmaterial in der amorphen Phase und in wie vielen der Elemente das Phasenwechselmaterial in der kristallinen Phase vorliegt.By measuring an electrical resistance of the parallel circuit, one can determine in how many of the elements the phase change material in the amorphous phase and in how many of the elements the phase change material is present in the crystalline phase.
In einem Beispiel sind drei Elemente mit maximalen (oberen) einfachen Temperaturschwellen von 0°C, 5°C und 10°C vorgesehen. Eine einfache Temperaturschwelle ist überschritten, wenn eine bestimmte Temperatur auch nur kurzzeitig überschritten wurde. Dabei wird beispielsweise ein elektrischer Widerstand der Parallelschaltung gemessen, der darauf hindeutet, dass zwei Elementen in der amorphen Phase und ein Element in der kristallinen Phase vorliegen. Aus dieser Messung kann geschlossen werden, dass die Temperatur zwar 0°C, nicht aber 5°C und erst recht nicht 10°C überschritten hat. Die maximal erreichte Temperatur lag also zwischen 0°C und 5°C.In one example, three elements are provided with maximum (upper) simple temperature thresholds of 0 ° C, 5 ° C and 10 ° C. A simple temperature threshold is exceeded when a certain temperature has been exceeded even for a short time. In this case, for example, an electrical resistance of the parallel circuit is measured, which indicates that there are two elements in the amorphous phase and one element in the crystalline phase. From this measurement it can be concluded that the temperature has exceeded 0 ° C, but not 5 ° C and even less 10 ° C. The maximum temperature reached was between 0 ° C and 5 ° C.
In einem weiteren Beispiel ist ein einzelnes Element vorgesehen, mit dem die Überschreitung eines Schwellwerts erkannt werden kann, der beispielsweise erreicht ist, wenn eine Temperatur von 0°C über eine Zeitspanne von einer Stunde überschritten wird, oder (gleichbedeutend) wenn eine Temperatur von 5°C für eine Zeitspanne von einer Minute überschritten wird, oder (gleichbedeutend) wenn eine Temperatur von 10°C für eine Zeitspanne von einer Sekunde überschritten ist. In diesem Fall gibt der gemessene Widerstand Aufschluss darüber, ob ein Prozess (z.B. eine Bakterienentwicklung), der bei niedrigen Temperaturen (z.B. unterhalb von 0°C) langsam abläuft (z.B. eine Stunde benötigt) und bei höheren Temperaturen (z.B. bei 10°C) schnell (z.B. innerhalb von einer Sekunde) abläuft, über ein festgelegtes tolerierbares Maß hinaus vorangeschritten ist.In another example, a single element is provided to detect the exceeding of a threshold reached, for example, when a temperature of 0 ° C is exceeded over a period of one hour, or (equivalent) when a temperature of 5 ° C is exceeded for a period of one minute, or (equivalent) when a temperature of 10 ° C is exceeded for a period of one second. In this case, the measured resistance indicates whether a process (eg bacterial development) that runs slowly at low temperatures (eg below 0 ° C) (eg requires one hour) and at higher temperatures (eg at 10 ° C) is fast (eg within one second), has progressed beyond a predetermined tolerable level.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Phasenwechselmaterial zumindest teilweise eine räumlich (bevorzugt kontinuierlich) veränderliche Materialzusammensetzung auf. Eine derartige Materialzusammensetzung kann insbesondere durch Kosputtern hergestellt werden. Beim Kosputtern wird eine dünne Schicht aus mindestens zwei Bestandteilen gewachsen, wobei jeder der einzelnen Bestandteile aus einer jeweiligen Quelle in eine Sputterkammer eingebracht wird. Die einzelnen Materialquellen sind räumlich beabstandet voneinander angeordnet. Dadurch ist die Materialkonzentration der einzelnen Materialien an verschiedenen Stellen der gewachsenen Schicht unterschiedlich groß.In a further preferred embodiment, the phase change material at least partially a spatially (preferably continuously) variable material composition. Such a material composition can be produced in particular by co-sputtering. In co-sputtering, a thin layer of at least two components is grown, each of the individual components being introduced from a respective source into a sputtering chamber. The individual material sources are spatially spaced from each other. As a result, the material concentration of the individual materials at different points of the grown layer is different in size.
Beispielsweise kann das Phasenwechselmaterial auf einer Seite des Elements zu 100 % aus Sb und auf einer gegenüberliegenden Seite aus 80 % Sb und 20 % Ge gebildet sein. Dazwischen kann der Ge-Anteil z. B. linear von 0 % auf 20 % ansteigen. Weil der Schwellwert mit der Materialzusammensetzung zusammenhängt, weist das Phasenwechselmaterial in diesem Beispiel auch einen Schwellwert auf, der sich kontinuierlich von einer Seite zur anderen verändert. Ein derartiges Element mit einer räumlich veränderten Materialzusammensetzung kann als eine Parallelschaltung einer Vielzahl einzelner Elemente mit verschiedenen Schwellwerten betrachtet werden. Ein an einem derartigen Element gemessener elektrischer Widerstand kann ein kontinuierliches Maß dafür sein, welcher Schwellwert innerhalb eines Überwachungszeitraums maximal erreicht wurde. Alternativ können an das Element mit einer sich räumlich ändernden Materialzusammensetzung an bestimmten Stellen mehrere Paare von jeweils zwei Elektroden angelegt werden. So ist es möglich, mehrere diskrete Elemente mit verschieden Schwellwerten mit nur einem Abscheide-Prozess herzustellen, wobei die einzelnen Elemente durch die jeweiligen Paare der Elektroden einzeln ausgewertet werden können.For example, the phase change material on one side of the element may be formed 100% of Sb and on the opposite side 80% Sb and 20% Ge. In between, the Ge share z. B. increase linearly from 0% to 20%. Because the threshold is related to the material composition, the phase change material in this example also has a threshold that varies continuously from one side to the other. Such an element with a spatially changed material composition can be considered as a parallel connection of a plurality of individual elements with different threshold values. An electrical resistance measured on such an element may be a continuous measure of which threshold has been reached within a monitoring period. Alternatively, a plurality of pairs of two electrodes may be applied to the element having a spatially varying material composition at specific locations. It is thus possible to produce a plurality of discrete elements having different threshold values with only one deposition process, wherein the individual elements can be evaluated individually by the respective pairs of electrodes.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden unterschiedliche Schwellwerte nicht ausschließlich durch die Materialzusammensetzung sondern auch durch Variation der Geometrie der einzelnen Elemente erreicht. Dabei kann beispielsweise die thermische Umgebung variiert werden, um den Abkühlvorgang beim Initialisieren zu verändern und somit unterschiedliche Zustände mit einem einzigen Initialisierungspuls zu erhalten. Alternativ kann die Kontaktfläche von mindestens einer Elektrode und dem Phasenwechselmaterial durch geometrische Begrenzung der Elektrode oder des Phasenwechselmaterials (z.B. durch Strukturierung) unterschiedlich groß ausgeführt sein, sodass mit einem einzigen Initialisierungspuls unterschiedliche Leistung eingebracht wird, was zu unterschiedlichen Zuständen mit unterschiedlichen Schwellwerten führen kann. In a further preferred embodiment, different threshold values are achieved not only by the material composition but also by varying the geometry of the individual elements. In this case, for example, the thermal environment can be varied in order to change the cooling process during initialization and thus to obtain different states with a single initialization pulse. Alternatively, the contact surface of at least one electrode and the phase change material by geometrically limiting the electrode or the phase change material (eg by structuring) be made different size, so that with a single initialization pulse different power is introduced, which can lead to different states with different thresholds.
Als weiterer Aspekt wird ein Verfahren zur Verwendung eines Temperaturdetektors gemäß Anspruch 10 vorgestellt.As a further aspect, a method of using a temperature detector according to
Die weiter vorne beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Temperaturdetektors sind auf das beschriebene Verfahren anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.The particular advantages and design features of the temperature detector described above are applicable to the method described and transferable, and vice versa.
Die Verfahrensschritte a) und b) werden bevorzugt, aber nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchlaufen. Vor Schritt a) wird bevorzugt als zusätzlicher Verfahrensschritt ein Signal in Form einer elektromagnetischen Welle mittels des Kommunikationsgeräts in die RFID-Antenne eingekoppelt. Das Signal kann beispielsweise eine Aufforderung zum Initialisieren und/oder zum Auslesen eines Elements umfassend ein Phasenwechselmaterial enthalten. Wird die Aufforderung zum Auslesen gegeben, wird bevorzugt in Schritt a) der elektrische Widerstand des Elements gemessen. Der gemessene Wert kann beispielsweise an einer Anzeigevorrichtung des Temperaturdetektors angezeigt und/oder über die RFID-Antenne an das Kommunikationsgerät übermittelt werden. Im Kommunikationsgerät kann der gemessene Wert ausgewertet, gespeichert und/oder angezeigt werden. In Schritt b) erfolgt das Erkennen einer Überschreitung eines Schwellwerts bevorzugt durch Vergleich des gemessenen Wertes mit einem erwarteten Wert. Der Vergleich kann durch einen Benutzer und/oder elektronisch erfolgen. Bei elektronischem Vergleich kann dem Benutzer das Ergebnis z. B. in Form eines Textes „ok“ bzw. „nicht ok“ angezeigt werden.The process steps a) and b) are preferably, but not necessarily, run through in the order given. Before step a), as an additional method step, a signal in the form of an electromagnetic wave is preferably coupled into the RFID antenna by means of the communication device. The signal may include, for example, a request to initialize and / or read an element comprising a phase change material. If the request for readout is given, the electrical resistance of the element is preferably measured in step a). The measured value can be displayed, for example, on a display device of the temperature detector and / or transmitted via the RFID antenna to the communication device. In the communication device, the measured value can be evaluated, stored and / or displayed. In step b), the detection of an exceeding of a threshold value is preferably carried out by comparing the measured value with an expected value. The comparison can be done by a user and / or electronically. In electronic comparison, the user can see the result z. B. in the form of a text "ok" or "not ok" are displayed.
Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
-
1 : eine schematische Schnittansicht eine Temperaturdetektors, und -
2 : eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung für einen Temperaturdetektor.
-
1 a schematic sectional view of a temperature detector, and -
2 : a schematic representation of an electrical circuit for a temperature detector.
Das Phasenwechselmaterial
Der Temperaturdetektor
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102017200873.3A DE102017200873B4 (en) | 2017-01-19 | 2017-01-19 | temperature detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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