Titelaufnahme

Titel
Passive temperature threshold sensor / von Harald Steiner
VerfasserSteiner, Harald
Begutachter / BegutachterinKeplinger, Franz
Erschienen2014
UmfangXIV, 145 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2014
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)MEMS / thermischer Aktuator / passiver Schalter
Schlagwörter (EN)MEMS / thermal actuator / passive switch / latch
Schlagwörter (GND)Temperatursensor / MEMS / RFID / CMOS
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-73118 Persistent Identifier (URN)
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Passive temperature threshold sensor [7.22 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Jedes Jahr müssen Blutkonserven in Spitälern vernichtet werden, weil die korrekte Lagertemperatur der einzelnen Konserven nicht zweifelsfrei gewährleistet werden kann. Auch im Bereich von Kühlgütern ist es wichtig zu wissen, ob die Kühlkette im Laufe des Transports oder der Lagerung unterbrochen wurde. Es existiert eine Vielzahl von kommerziell erhältlichen Temperaturindikatoren, welche hauptsächlich auf chemischen Reaktionen basieren. Aber es fehlt die Möglichkeit einer einfachen, kosteneffzienten und stromsparenden Anzeige. Auch die Langzeitstabilität solcher Systeme ist zumeist nicht gewährleistet. Zur Überwachung der Grenzwerttemperatur sind daher neue Ansätze für miniaturisierte passive Sensorsysteme notwendig. Solche Systeme kombinieren RFID Technologien zum Übertragen von Informationen und elektrischen Energien, Kapazitäten zur Zwischenspeicherung der Energien und die Temperaturaufnehmer zur Überwachung der Grenzwerte. Ziel der Arbeit ist das Design und ein proof-of-concept eines passiven mikro-elektro-mechanischen Temperaturwandlers zur Überwachung einer gewissen Grenztemperatur. Der Wandler besteht aus einem thermischen Aktuator und Einrastmechanismen. Der thermische Aktuator wandelt die thermische Energie zufolge Temperaturänderungen des Kühlgutes in eine mechanische Energie um. Diese Energie wird genutzt um einen Einrastmechanismus zu aktivieren, welcher den Zustand des Sensors unwiderru flich ändert sobald eine definierte Grenztemperatur überschritten wird. Ein ausgeklügeltes Design erlaubt die Produktion und den Transport des Sensorsystems bei Raum- oder erhöhten Temperaturen. Nachdem das System bei niedrigen Temperaturen aktiviert wurde, kann ein Überschreiten einer Grenztemperatur festgestellt werden. Der Wandler arbeitet dabei komplett passiv und braucht keine elektrische Versorgung für die Überwachung. Um zukünftig sowohl die RFID Antenne, die Speicherkapazität, die elektrische Auswerteschaltung und den mechanischen Temperaturwandler als eine Einheit zu produzieren, werden nur CMOS kompatible Prozesse zur Fertigung des Prototypen verwendet.

Zusammenfassung (Englisch)

A huge amount of blood bottles in hospitals have to be disposed every year since the proper storage temperature could not be guaranteed. Also for refrigerator cargo it is important to know if the temperate chain was broken during the transport. Several temperature indicator labels are available on the market that commonly bases on chemical reactions and color change or darkening. But they lack the possibility of an easy, cost efficient, and low-energy readout. Furthermore, they have issues with their long-term stability. Therefore, novel approaches for miniaturized passive sensor systems for the observation of threshold temperatures are necessary. Ideally, such systems are a combination of an RFID tag with an antenna for readout and power transmission, a capacitor device to storage the power during the readout, and a transducer device including an evaluation circuits. The aim of the work is the design and a proof of concept of a passive temperature transducer, which is envisioned as micro-electro-mechanical system. It composes of two parts: A thermal actuator, and a latching mechanism. The thermal actuator converts thermal energy, due to a change in the temperature of the cargo, into mechanical energy. This mechanical energy is applied to a latching mechanism. At a specific threshold temperature, the latching mechanism hooks with its counterpart and irreversible changes the state of the device. A sophisticated design allows for production, transport, and storage of the devices at ambient or raised temperatures. Once it is activated at lower temperatures, an exceeding of a specific threshold temperature can be recorded even when the cargo is cooled down again. The transducer element is completely passive and does not need any power supply during the monitoring of the transport chain. Pursuing the goal of a single unit package, it will be considered whether the RFID-antenna and perhaps even the capacitor and readout circuit could be manufactured together with the MEMS-transducer on the same chip. This is a boundary condition for the manufacturing of the MEMS subsystem. Hence, only standard CMOS compatible manufacturing process are applied for the fabrication of the device.