DieErfindung bezieht sich auf eine Reservebatterie aus Anode und Kathodeals Elektroden und einem Freiraum zur Aufnahme eines Elektrolyten gemäß dem Oberbegriffdes Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auf einVerfahren zum Herstellen einer solchen Reservebatterie.
EineReservebatterie ist eine Batterie, die typischerweise nur einmalnutzbar ist und die sich selbst durch Benetzung mit einem Elektrolytenaktiviert. Füreine Anwendung im medizinischen Bereich kann der Elektrolyt beispielsweiseKörperflüssigkeit sein.
Reservebatteriensind bereits bekannt. Sie sind analog zu bekannten Primärbatterienaus Anode, Elektrolytraum und Kathode aufgebaut. Anders als beisolchen Primärbatterienist allerdings bei Reservebatterien der Raum zwischen den Elektroden nichtmit Elektrolyt gefüllt.Erst bei Aktivierung wird der Zwischenraum mit ionisch leitfähigem Elektrolytengefüllt.
Reservebatterienfinden unter anderem Anwendung in Signallampen, beispielsweise Rettungswestenoder dergleichen, oder beispielsweise auch als Torpedoantrieb. Inbeiden Fällenwerden sie durch eindringendes Seewasser aktiviert. Besonderer Vorteilvon Reservebatterien ist die nahezu unbegrenzte Lagerfähigkeit,da durch den fehlenden Elektrolyten eine Selbstentladung im üblichenSinne nicht möglichist.
Diebisher bekannten Systeme von Reservebatterien sind aus massivenElektroden aufgebaut. Dadurch sind sie nicht geeignet für einenflachen Aufbau und solche Anwendungen, für die ein miniaturisierterAufbau notwendig ist.
VomStand der Technik ist es zwar bereits bekannt, Anordnungen in Dünnschichttechnikauszubilden. Dies gilt beispiels weise für ein pyroelektrisches Dünnschichtsensorelementgemäß der
DE 195 13 499 A1 oderfür eineelektronische Karte mit IC-Chip und Batterie gemäß der
DE 689 14 526 T2. Darüber hinausist aus der WO 01/18830 A1 ein Dünnschichtkondensatorvorbekannt, bei dem auf einem elektrisch isolierenden Substrat eineoxidkeramische Schicht und dazwischen eine Mehrzahl von funktionsgradiertenEinzelschichten vorhanden sind. Die darauf befindlichen Elektrodenkönnenbeispielsweise mäanderförmig nachArt von Interdigitalelektroden ausgebildet sein.
Ausgehendvon obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eineReservebatterie zu schaffen, die kompakt aufgebaut und insbesondere auchpreiswert ist.
DieAufgabe ist erfindungsgemäß durchdie kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Herstellungsverfahrenfür einesolche Reservebatterie sind in den nebengeordneten Ansprüchen 9 bis11, 13 und 14 angegeben. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Reservebatterieund des zugehörigenHerstellungsverfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Dieerfindungsgemäße Reservebatterieist in Dünnschicht-Planartechnikmit Interdigitalstruktur und einzelnen Elektrodenfingern realisiert.Bei der bestimmungsgemäßen Anwendungschließendie Elektrodenfinger den Elektrolyten ein. Die somit gebildete Reservebatteriekann aufgrund ihres besonders einfachen Aufbaus auch sehr einfachhergestellt werden. Dadurch ist der Aufbau so preiswert, dass er insbesondereauch fürsog. Disposable-Anwendungen, z.B. in der Medizindiagnostik, in Fragekommt.
WeitereEinzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgendenFigurenbeschreibung von Ausführungsbeispielenanhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Eszeigen jeweils in schematischer Schnittdarstellung
1 dasPrinzip einer Dünnschicht-Reservebatterie,
2 eineReservebatterie in Interdigitalstruktur,
3 eineReservebatterie gemäß2 in Schnittdarstellungund
4 dieVorgehensweise zur Aktivierung einer Reservebatterie.
GleichwirkendeEinheiten haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen. Die Figurenwerden nachfolgend teilweise gemeinsam beschrieben.
In1 isteine Struktur dargestellt, die eine Substratschicht1 miteiner darauf befindlichen Kathode10 und einer Anode20 enthält. Kathode10 und Anode20 bildenjeweils mehrere Elektrodenfinger11,11', ... und21,21', ..., die zueinanderparallel angeordnet sind. Die Elektrodenfinger11,11', ... und21,21', ... sind Teilvon Interdigitalelektroden. Dies bedeutet, dass die Kathode10 einerseitsund die Anode20 andererseits jeweils insgesamt kammartig ausgebildetist, wobei die einzelnen Kathodenfinger11,11', ... und dieeinzelnen Anodenfinger21,21', ... paarweise ineinander greifen.
In2 isteine Struktur wie in1 vorhanden, bei der von derKathode10 einerseits und der Anode20 andererseitsmit jeweils nur einem einzigen Elektrodenfinger die Interdigitalelektrodegebildet wird. Der Elektrodenfinger11 bzw.21 bildetjeweils die komplette Elektrode10 bzw.20.
Ineiner Abwandlung zu1 und/oder2 können diebeiden oder mehrere Elektrodenfinger spiralförmig, mäanderförmig oder in anderer gewundenerAnordnung ausgebildet sein.
Insgesamtwird in1 und/oder2 von denStrukturen aus Kathode10 und Anode20 auf demSubstrat1 eine sogenannte „in-plane"-Anordnung gebildet. Dabei kommt esdarauf an, den Abstand der nebeneinander angeordneten Elektroden bzw.Elektrodenfinger möglichstgering zu wählen, wobeiBreite b, Abstand a und Dicke der Elektrodenschicht jeweils in dergleichen Größenordnungliegen. Auf die Dimensionierung und die geeigneten Herstellungsverfahrenwird weiter unten eingegangen.
Ausder Schnittdarstellung der3 ist das Substrat1 mitden darauf befindlichen Elektrodenfingern11,11', ... und21,21', ... ersichtlich.Es ist eine Abdeckung, z.B. eine Folie30, vorhanden, diesich im Abstand oberhalb der Elektrodenfinger befindet, so dassein Elektrolytraum40 gebildet wird. Der Elektrolytraum40 kanngegebenenfalls einen porösen Körper zurAufnahme eines Elektrolyten aufweisen.
In4 isteine Anordnung gemäß1 gezeigt,bei der das Substrat1 mit Kathode10 und Anode20 aufeinem diskreten Element, z.B. einen Sensorstreifen aufgebracht ist.Die Anordnung ist in einen Elektrolyten51 eintauchbar.Dafür istbeispielsweise ein Behälter50 zurAufnahme des Elektrolyten vorhanden.
Beiden Anordnungen gemäß den1 bis4 sinddie Elektroden10 und20 bzw. Elektrodenfinger11,11', ... und21,21', ... als dünne Schichten, beispielsweisemit einer Dicke von 50 μm,ausgebildet. Im Allgemeinen sollte die Dicke der Elektroden zwischen10 und 100 μmbetragen. Als weitestgehender Bereich kommen Dicken von 5 bis 500 μm in Frage.Die Breite b und der Abstand a der Elektrodenfinger ist jeweilsim Einzelnen darauf abgestimmt.
DieHerstellung von dünnenElektrodenschichten erfolgt vorteilhafterweise nach einem bekanntenSiebdruckverfahren. Möglichist es auch, die Elektroden mit einem Sprühverfahren auf ein Substrataufzubringen. Gegebenenfalls kann dabei auf die Zwischenschichtdes Kollektors verzichtet werden, sofern an die Elektroden direktdie Stromanschlüsse angebrachtwerden.
Derartdünne Schichtenkönnenauch beispielsweise mit einem angepassten Ink-Jet-Drucker erzeugtwerden. Eine andere Möglichkeitfür dieHerstellung der Elektroden sind Druckverfahren, insbesondere dersogenannte Tampondruck oder dergleichen, weiterhin Tauchverfahrenoder auch das sogenannte Schlickergießen.
Nachdem Prinzip der1 bis4 können Reservebatterienaufgebaut werden, die hinsichtlich der Spannung bzw. des zu lieferndenStromes den vorgegebenen Bedingungen genügen. Dabei kann die Anzahln der Zellen vorgegeben werden, wobei im allgemeinen gilt: n ≥ 2. Wesentlichist dabei, dass der Elektrolytraum 4 so gestaltet werden kann, dasser eine Kapillarwirkung zum Einsaugen des Elektrolyten aufweist.Dies kann beispielsweise durch die Dicke des Elektrolytraumes ansich oder durch einen porösenKörperin direktem Kontakt zu den Elektroden realisiert werden. Ein solcherKörper mitKapillarwirkung ist beispielsweise ein Vlies.
Beiden beschriebenen Reservebatterien kann einer der beiden Elektroden,dem Elektrolytraum oder den darin enthaltenen porösen Körper, derden Separator darstellt, ein löslichesSalz zugesetzt werden. Dies kann entweder ein wasserlösliches,elektrisch leitendes Salz sein zur Befüllung mit Wasser oder wässrigenLösungenoder aber auch ein Leitsalz fürorganische Flüssigkeiten.
ZurAktivierung anhand der1 bis4 beschriebenenReservebatterien wird die Anordnung mit einem Elektrolytreservoirverbunden. Durch mechanischen Druck auf das Elektrolytreservoirwird der Elektrolyt in den Elektrolytraum gedrückt und damit die Batteriebetriebsbereit gemacht.
AlsElektrolyt sind alle Flüssigkeitengeeignet, die zumindest eine geringfügige ionische Leitfähigkeitaufweisen. Bei einer medizinischen Anwendung kann dies eine Körperflüssigkeit,wie Blut, Urin oder Speichel, sein.
DerElektrolyt kann auch direkt die zu analysierende Flüssigkeitsein. Dies ist vorteilhaft fürden Einsatz von sogenannten Disposable-Anwendungen in der Medizintechnik.Für solcheDisposable-Anwendungen ist ein ultradünner Aufbau mit geringem Materialeinsatzund die einfache Fertigung vorteilhaft.
BeiKontakt mit einer Flüssigkeitaktiviert sich die Batterie und die damit verbundene elektronische Schaltungselbstständig.Die Aktivierung durch die Analyseflüssigkeit wirkt also wie einintelligenter Schalter.