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Development of a new, miniaturized and flexible temperature sensor
2025
Dissertation, RWTH Aachen University, 2025
Druckausgabe: 2025. - Onlineausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-20
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08823
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1020176/files/1020176.pdf
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Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Barium Strontium Titanate (BSTO) (frei) ; Bariumstrontiumtitanat (BSTO) (frei) ; Chronoamperometrie (frei) ; Cyclovoltammetrie (CV) (frei) ; Diffusionskoeffizient (frei) ; Dünnschichtsensor (frei) ; Temperatursensor (frei) ; Viskosität (frei) ; chronoamperometry (frei) ; cyclic voltammetry (CV) (frei) ; diffusion coefficient (frei) ; ionic liquid (frei) ; ionische Flüssigkeiten (frei) ; photonic sintering (frei) ; photonisches Sintern (frei) ; temperature sensor (frei) ; thin film sensor (frei) ; viscosity (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Die Temperatur ist eine der wichtigsten naturwissenschaftlichen Größen und spielt eine essenzielle Rolle in unserem täglichen Leben. Das Einsatzgebiet von permanent messenden Temperatursensoren hat sich in den letzten Jahren stark erweitert. In der Klimatechnik sowie in Kühl- und Gefrierschränken werden solche Sensoren schon lange eingesetzt, während ihr Einsatz im Gesundheitswesen, in industriellen Herstellungsprozessen und der Landwirtschaft erst in der jüngeren Vergangenheit Einzug gehalten hat. Über die Jahrhunderte hinweg wurden viele unterschiedliche Geräte entwickelt, die in der Lage sind, die Änderung der Temperatur zu messen. Anfangs wurde die Temperaturmessung durch die Ausbreitung bzw. Kontraktion von Luft oder Wasser bestimmt und auch heutzutage wird dieses Prinzip in Quecksilberthermometern noch genutzt. Jedoch gibt es mittlerweile eine ganze Reihe weiterer Geräte, die unterschiedliche physikalische Größen nutzen, um Temperaturmessungen durchzuführen. Bekannt sind vor allem Widerstandsthermometer, so genannte RTDs, oder auch Thermistoren, die eine Änderung des Widerstands in Relation zur Temperatur setzen sowie Geräte, die auf Thermographie, z.B. Wärmebildkameras, basieren und die Änderung der spektralen Charakteristika durch IR-Messung sichtbar machen. Welche Art von Thermometer eingesetzt wird, hängt in erster Linie davon ab, was und wie genau gemessen werden soll, denn alle bekannten Techniken haben ihre Vor- und Nachteile, wie beispielsweise einen geringen Temperaturbereich oder eine relativ kleine Änderung des gerätespezifischen Parameters pro Grad Celsius. Um diese Nachteile zu umgehen, wurde in dieser Arbeit ein miniaturisierter Temperatursensor, basierend auf einem neuen Arbeitsprinzip, entwickelt. Als Sensorprinzip wurde die Abhängigkeit des Diffusionskoeffizienten von der Viskosität von Flüssigkeiten verwendet. Die Viskosität ist wiederum abhängig von der Temperatur. Diese Abhängigkeit wurde durch den Einsatz von in Flüssigkeit gelösten Redox-Mediatoren, die anschließend elektrochemisch vermessen wurden, gezeigt. In diesem speziellen Fall wurden drei unterschiedliche ionische Flüssigkeiten (ILs) sowie Mischungen aus diesen verwendet. Zusätzlich wurden verschiedene Redox Spezies, wie z.B. Ferrocen, Hydroquinon und Methylenblau, getestet, um einen stabilen Temperatursensor zu entwickeln, der über einen großen Temperaturbereich funktioniert und langzeitstabil ist. Dazu wurden mehrere Dünnschicht Prototyp-Sensoren hergestellt und mithilfe von Custom-made Elektronik bzw. Potentiostate charakterisiert. Zunächst wurde mittels Cyclovoltammetrie (CV) die Abhängigkeit des Peakstroms von der Temperatur gezeigt. Um die geeignetste Redox-Spezies zu identifizieren, wurde anschließend ein Screening verschiedener Derivate der o. g. Redox-Spezies mittels CV durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass Ferrocen nicht über einen längeren Zeitraum stabil ist und der Sensor nach wenigen Tagen seine Funktionalität verliert, weshalb die anderen Redox-Spezies untersucht wurden. Dabei stellte sich Methylenblau als am besten geeignet heraus. Außerdem wurde eine der eingesetzten ionischen Flüssigkeiten, 1-Ethylimidazolium Nitrat ([EIM][NO3]), gleichzeitig sowohl als Redox-Spezies als auch als Lösungsmittel eingesetzt. Damit der hergestellte Sensor flexibel einsetzbar und gut händelbar ist, musste die temperatursensitive Schicht auf dem Substrat fixiert werden. Dazu wurde eine Mischung aus zwei Monomeren und einem Photoinitiator zur IL-Mischung hinzugegeben. Durch UV-Aktivierung wurde die Polymerisation der Monomere gestartet, wodurch eine auf dem Substrat fixierte Schicht entstand. Letztlich wurde der hergestellte Temperatursensor mittels chronoamperometrischen Messungen bei vier unterschiedlichen Pulslängen charakterisiert. Verglichen zu Standard RTDs, zeigt dieser Sensor eine größere Sensitivität pro Grad Celsius und kann gleichzeitig über einen großen Temperaturbereich eingesetzt werden, z. B. zur Überwachung der Kühlkette von verderblichen Lebensmitteln.Temperature is one of the most important scientific quantities and plays a fundamental part in our daily life. While permanent temperature sensors were primarily used to control air conditioning, fridges and freezers, nowadays they are utilized in many more fields, such as healthcare, manufacturing and agriculture. Over the centuries several different devices were developed that were able to determine changes in temperature. In the beginning, such a thermometer was simply based on the expansion and contraction of air or water and the dilation of liquids is still in use in the common mercury thermometer. However, many more devices are known today that are based on the change of different physical quantities that can be related to temperature. Common examples are the change in resistance used in resistance temperature detectors (RTDs) or thermistors or the change in spectral characteristics detected via IR measurements. Depending on the purpose of the temperature measurement an appropriate technique is chosen, since all of the known devices have their advantages and drawbacks, e.g. a small temperature range or low relative change of the specific parameter per degree. To overcome such drawbacks, a miniaturized temperature sensor based on a new approach was developed in this work. As a sensing principle, the dependence of the diffusion coefficient on fluid viscosity, which in turn is temperature dependent, was exploited. Using Faradaic electrochemical currents from a redox mediator dissolved in fluid, a relation between current and temperature can be obtained. Here, three different ionic liquids (ILs) and mixtures of them were investigated along with different redox species, such as ferrocene, hydroquinone and methylene blue to establish a stable temperature sensor that is suitable over a large temperature range and shows long-term stability. Several thin-film sensor prototypes were fabricated and characterized using custom-made electronics as well as a potentiostat. First, the peak current dependence on temperature using cyclic voltammetry (CV) was demonstrated. Afterwards a screening of the most feasible redox species was conducted using CV. Thereby it was found that ferrocene is not stable over a longer period of time, which is why other redox couples were examined and methylene blue was found to be the best. Additionally, the IL 1-ethylimidazolium nitrate ([EIM][NO3]) was used as redox species and solvent medium simultaneously. In order to establish an easy to handle sensor, the sensitive layer had to be fixed upon the substrate. This was achieved by adding two monomers and a photo initiator to the IL mixture that were cured using UV light. Finally, the prepared temperature sensors were characterized using the chronoamperometric technique and four different pulse lengths. Compared to standard resistance temperature detectors, this novel sensor shows a higher per degree sensitivity and can be utilized in a broad temperature range, for example for cold-chain monitoring of perishables.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031322012
Interne Identnummern
RWTH-2025-08823
Datensatz-ID: 1020176
Beteiligte Länder
Germany
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