DE10113190A1

DE10113190A1 - Moisture sensor comprises a membrane, a support for the membrane, an element for cooling the support and the membrane, a device for heating the membrane, and a device for determining a change of the precipitation state on the membrane

Info

Publication number: DE10113190A1
Application number: DE2001113190
Authority: DE
Inventors: Matthias Ashauer; Hartmut Glosch; Walter Lang
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2021-03-20
Also published as: DE10113190B4

Abstract

Moisture sensor comprises a membrane (4), a support (2) for the membrane, an element (6,8,10) for cooling the support and the membrane, a device for heating the membrane and a device for determining a change of the precipitation state on the membrane and for acquiring moisture from the change. An Independent claim is also included for a process for repeatedly acquiring an air moisture. Preferred Features: The membrane is a silicon nitride, silicon oxide or silicon carbide membrane. The support is a silicon chip. The cooling element is a Peltier element and is connected to the membrane via a cooling finger (14) and an air gap. The heating device has a conducting structure formed on the membrane.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Feuchte sensor und insbesondere auf einen Feuchtesensor nach dem Taupunktprinzip.The present invention relates to moisture sensor and in particular a moisture sensor according to the Taupunktprinzip.

Feuchtesensoren nach dem Taupunktprinzip sind neben Psy chrometern die präzisesten, aber auch aufwendigsten und teuersten Geräte zur Messung der Luftfeuchtigkeit. Bei die sen Sensoren wird eine Oberfläche durch Kühlen bis an den Taupunkt gebracht. Auf der Oberfläche bildet sich ein Nie derschlag in Form eines Wasserfilms oder von Wassertropfen (Tau). Die Betauung wird durch verschiedene Verfahren fest gestellt. Dabei wird ausgenutzt, daß eine Betauung der Oberfläche optische Reflexionseigenschaften der Oberfläche, eine elektrische Kapazität zwischen isolierten Elektroden an der Oberfläche oder einen elektrischen Widerstand zwi schen nicht isolierten Elektroden an der Oberfläche verän dert. Anschließend wird der Sensor wieder beheizt, bis die Betauung verdampft ist. Auf diese Art pendelt der Sensor um die Taupunkttemperatur, die zusammen mit der Umgebungstem peratur ein Maß für die Luftfeuchte ist. Die Taupunkttempe ratur wird dabei durch einen Temperatursensor an der Ober fläche zu dem Zeitpunkt gemessen, zu dem die Betauung ver schwindet.Moisture sensors based on the dew point principle are next to psy the most precise, but also the most complex and most expensive devices for measuring humidity. At the sensors is used to cool a surface to the surface Brought dew point. A never forms on the surface blow in the form of a film of water or drops of water (Dew). The condensation is fixed by various methods posed. This takes advantage of the fact that condensation on the Surface optical reflection properties of the surface, an electrical capacitance between insulated electrodes on the surface or an electrical resistance between change non-insulated electrodes on the surface changed. The sensor is then heated again until the Condensation has evaporated. In this way the sensor swings the dew point temperature, which together with the ambient temperature temperature is a measure of the air humidity. The dew point temp temperature is achieved by a temperature sensor on the upper area measured at the time at which the condensation waning.

Dieses Prinzip hat bei den derzeitigen Realisierungen fol gende Nachteile:
This principle has the following disadvantages in the current implementations:

- for periodic heating and cooling of the sensor is one considerable energy and time required;
- The above-mentioned measuring methods are caused by contamination influence on the surface, which ver the measurement result falsify or prevent its extraction;
- The optical measuring method is due to the required op table facilities complex and expensive;
- The capacitive measuring method is relatively imprecise; and
- The resistance measurement method is u. a. due to its often electrodes in relation to its environment sensitive.

Taupunktmeßgeräte gemäß dem Stand der Technik sind aus die sem Grund teuer, langsam und werden hauptsächlich im Labor betrieb für genaue Messungen eingesetzt.Dew point measuring devices according to the prior art are from for this reason expensive, slow and are mainly in the laboratory used for accurate measurements.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ei nen unaufwendigen, gegenüber Verschmutzungen unempfindli chen, schnellen und miniaturisierbaren Feuchtesensor nach dem Taupunktprinzip zu schaffen.An object of the present invention is to: effortless, insensitive to dirt quick, miniaturizable moisture sensor to create the dew point principle.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gegenüber Verschmutzungen unempfindliches, schnelles Verfahren zum Bestimmen einer Feuchte nach dem Taupunktprinzip zu schaffen, das unaufwendig und auf klei nem Raum durchführbar ist.Another object of the present invention is in being insensitive to dirt, quick method for determining a moisture after the To create dew point principle that is inexpensive and small space is feasible.

Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.These tasks are achieved by a device according to claim 1 or a method according to claim 15 solved.

Ein Feuchtesensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Membran, eine Trägereinrichtung für die Membran, eine Einrichtung zum Kühlen der Trägereinrichtung und der Mem bran, eine Einrichtung zum Erwärmen der Membran und eine Einrichtung zum Bestimmen einer Änderung eines Nieder schlagszustands auf der Membran und zum Ermitteln der Feuchte aus der bestimmten Niederschlagszustandsänderung. A moisture sensor according to the present invention comprises a membrane, a support device for the membrane, a Device for cooling the carrier device and the mem bran, a device for heating the membrane and a Means for determining a change in low impact state on the membrane and to determine the Moisture from the determined change in precipitation.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in ihrem einfachen Aufbau, ihrer Kleinheit bzw. Miniaturisierbarkeit und ihrer Robustheit gegenüber Verschmutzungen. Insbesonde re ist die Wärmekapazität der Membran viel kleiner als die Wärmekapazität der Trägereinrichtung. Ein geringer Energie verbrauch folgt insbesondere daraus, daß wechselnde Tempe raturen nur auf der Membran erzeugt werden, die eine sehr geringe Wärmekapazität aufweist, was ferner eine hohe Meß geschwindigkeit zur Folge hat.An advantage of the present invention is its simple structure, their smallness or miniaturizability and their robustness against soiling. Insbesonde re, the heat capacity of the membrane is much smaller than that Thermal capacity of the carrier device. A little energy consumption follows in particular from the fact that changing tempe ratures are only generated on the membrane, which is a very has low heat capacity, which is also a high measurement results in speed.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung umfaßt die Membran eine Siliziumnitridmembran oder eine Siliziumoxidmembran oder eine Siliziumcarbidmem bran. Die Trägereinrichtung umfaßt vorzugsweise einen Sili ziumchip. Dadurch wird eine Realisierung in herkömmlicher Siliziumchiptechnologie, eine sehr weitgehende Miniaturi sierung, eine Herstellung mit herkömmlichen Verfahren der Halbleitertechnologie und eine weitgehende Integration ei nes Großteils der Funktions- und Bauelemente des Feuchte sensors auf einem einzelnen, kleinen Siliziumchip möglich.According to a preferred embodiment of the present According to the invention, the membrane comprises a silicon nitride membrane or a silicon oxide membrane or a silicon carbide membrane bran. The carrier device preferably comprises a sili ziumchip. This makes it more conventional Silicon chip technology, a very extensive miniature sation, a production with conventional methods of Semiconductor technology and extensive integration Most of the functional and structural elements of the moisture sensors possible on a single, small silicon chip.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Ein richtung zum Kühlen der Trägereinrichtung und der Membran ein Peltier-Element. Sie kann ferner einen Kühlfinger auf weisen, der über einen schmalen Luftspalt eine großflächige Wärmeleitverbindung mit der Membran schafft, um diese räum lich gleichmäßig, d. h. mit einem flachen räumlichen Tempe raturprofil, zu kühlen.According to a preferred embodiment, the one direction for cooling the carrier device and the membrane a Peltier element. You can also on a cold finger have a large area over a narrow air gap Thermal connection with the membrane creates this space Lich even, d. H. with a flat spatial tempe rature profile, to cool.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ferner die Einrichtung zum Erwärmen der Membran durch eine auf der Membran gebildete elektrische Leiterstruktur ausgeführt. Mittels eines durch die Leiterstruktur fließenden Stroms und aufgrund des ohmschen Widerstands derselben kann so die Membran erwärmt werden. Vorzugsweise ist die Leiterstruktur so ausgeführt, daß die Membran beim Erwärmen ein flaches räumliches Temperaturprofil aufweist. Eine Änderung des Niederschlagszustands findet dann auf der ganzen Membran zum gleichen Zeitpunkt statt. Ein flaches Temperaturprofil der Membran wird beispielsweise erzielt, indem die Leiter struktur die Form einer einfachen oder doppelten Spirale oder Schleife aufweist.According to a preferred embodiment, the Device for heating the membrane by one on the Membrane formed electrical conductor structure executed. By means of a current flowing through the conductor structure and because of their ohmic resistance, the Membrane are heated. The conductor structure is preferred so designed that the membrane is flat when heated has spatial temperature profile. A change in Precipitation then takes place all over the membrane held at the same time. A flat temperature profile the membrane is achieved, for example, by the conductor structure the shape of a single or double spiral or loop.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Ein richtung zum Bestimmen einer Änderung des Niederschlagszu stands auf der Membran eine Einrichtung zum Bestimmen einer Aufheizkurve, die bei einer vorbestimmten Erwärmungsrate die Zeitabhängigkeit einer Temperatur der Membran dar stellt.According to a preferred embodiment, the one direction for determining a change in precipitation a device on the membrane for determining a Heating curve at a predetermined heating rate represents the time dependence of a temperature of the membrane provides.

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel umfaßt die Einrichtung zum Bestimmen einer Änderung des Niederschlags zustands zwei nicht isolierte Elektroden auf der Membran zur Bestimmung des Oberflächenwiderstands der Membran.According to an alternative embodiment, the Device for determining a change in precipitation state two non-insulated electrodes on the membrane to determine the surface resistance of the membrane.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt die Ein richtung zum Bestimmen einer Änderung des Niederschlagszu stands zwei Elektroden an der Membran, von denen mindestens eine isoliert ist, zur Bestimmung einer elektrischen Kapa zität zwischen den Elektroden.According to a further embodiment, the one direction for determining a change in precipitation stood two electrodes on the membrane, of which at least one is insulated to determine an electrical Kapa between electrodes.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt die Ein richtung zum Bestimmen einer Änderung des Niederschlagszu stands eine optische Einrichtung zum Bestimmen der opti schen Reflexionseigenschaft der Oberfläche der Membran.According to a further embodiment, the one direction for determining a change in precipitation stands an optical device for determining the opti the reflective property of the surface of the membrane.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt die Ein richtung zum Bestimmen und Ermitteln ferner einen ersten Temperatursensor zum Bestimmen der Temperatur der Membran zu dem Zeitpunkt einer Änderung des Niederschlagszustands auf der Membran, einen zweiten Temperatursensor zum Bestim men einer Umgebungstemperatur, und eine Einrichtung zum Be stimmen der Feuchte aus den beiden von den beiden Tempera tursensoren gemessenen Temperaturen. According to a further embodiment, the one direction for determining and determining further a first Temperature sensor for determining the temperature of the membrane at the time of a change in rainfall on the membrane, a second temperature sensor for determination men an ambient temperature, and a device for loading agree the humidity from the two of the two tempera temperature sensors measured.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Feuchtesensor ferner von einer wärmeiso lierenden Vorrichtung umgeben, die im wesentlichen nur im Bereich der Membran eine Öffnung aufweist. Dadurch wird ein Kälteverlust des Feuchtesensors bzw. eine Energiezufuhr aus der Umgebung, außer über die Membran, im wesentlichen ver mieden und der Energieaufwand zum Kühlen weiter verringert.According to a further exemplary embodiment of the present Invention is the humidity sensor from a heat iso surrounding device, which is essentially only in Area of the membrane has an opening. This will make a Loss of coldness of the moisture sensor or an energy supply the environment, except ver across the membrane, essentially ver avoided and the energy consumption for cooling further reduced.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention are referred to below with reference to the enclosed Drawings described in more detail. Show it:

Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht eines Feuch tesensors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a moisture tesensors according to a preferred embodiment of the present invention;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Aufheizkurve, aus der gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei spiel eine Änderung eines Niederschlagszustands der Membran bestimmt werden kann; Fig. 2 is a schematic representation of a heating curve from which, according to a preferred embodiment, a change in a precipitation state of the membrane can be determined;

Fig. 3a, 4a, 5a schematische Darstellungen von Leiterstrukturen zum Erwärmen der Membran gemäß Ausführungsbei spielen der vorliegenden Erfindung; Fig. 3a, 4a, 5a are schematic representations of conductor structures for heating the membrane according to Ausführungsbei play the present invention;

Fig. 3b, 4b, 5b schematische Darstellungen von Temperaturprofi len, die beim Verwenden der Leiterstrukturen aus Fig. 3a, 4a bzw. 5a folgen; und FIG. 3b, 4b, 5b len schematic representations of temperature profile that follow when using the conductor patterns of Fig 3a, 4a and 5a, respectively. and

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Aus führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Fig. 6 is a schematic representation of another exemplary embodiment from the present invention.

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung. Ein Siliziumchip 2 trägt eine Membran 4 aus Siliziumnitrid. Der Siliziumchip 2 mit der Membran 4 ist auf ein Peltier-Element 6, 8, 10 aufgesetzt, das aus einem Kupferblock 6 und zwei Metallblöcken 8, 10 besteht, die unterschiedliche thermoelektrische Spannungen aufweisen. Das Peltier-Element 6, 8, 10 ist an einer Grundplatte 12 so angebracht, daß durch eine nicht dargestellte Strom quelle ein Stromfluß durch den Metallblock 8, den Kupfer block 6 und den Metallblock 10 erzeugt werden kann. Die Membran 4 trägt eine nicht dargestellte Leiterstruktur, da mit die Membran 4 elektrisch erwärmt werden kann. Fig. 1 shows a preferred embodiment of the prior invention. A silicon chip 2 carries a membrane 4 made of silicon nitride. The silicon chip 2 with the membrane 4 is placed on a Peltier element 6 , 8 , 10 , which consists of a copper block 6 and two metal blocks 8 , 10 , which have different thermoelectric voltages. The Peltier element 6 , 8 , 10 is attached to a base plate 12 so that a current flow through the metal block 8 , the copper block 6 and the metal block 10 can be generated by a current, not shown. The membrane 4 carries a conductor structure, not shown, since the membrane 4 can be used to electrically heat it.

Zur Herstellung der dünnen Membran 4 kann beispielsweise durch ein LPCVD- oder PECVD-Verfahren eine wenige 100 nm dicke Siliziumnitridschicht auf einem Siliziumsubstrat ab geschieden werden. Statt einer Siliziumnitridschicht kann auch eine Siliziumoxid- oder eine Siliziumcarbidschicht verwendet werden. Die Siliziumnitridschicht (bzw. Silizium oxid- bzw. Siliziumcarbidschicht) wird auf ihrer Oberseite mit bekannten Verfahren mit der genannten Leiterstruktur versehen, und eine Teilfläche des Siliziumsubstrats wird durch einen Ätzschritt fensterförmig entfernt, so daß in diesem Bereich nur noch die Siliziumnitridmembran 4 zurück bleibt. Die so hergestellte Siliziumnitridmembran 4 zeich net sich durch eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und große Robustheit aus, bei einer Dicke von 200 nm widersteht sie beispielsweise einer Druckdifferenz von 1 bar.To produce the thin membrane 4 , a few 100 nm thick silicon nitride layer can be deposited on a silicon substrate, for example by an LPCVD or PECVD method. Instead of a silicon nitride layer, a silicon oxide or a silicon carbide layer can also be used. The silicon nitride layer (or silicon oxide or silicon carbide layer) is provided on its upper side with the known conductor structure using known methods, and a partial area of the silicon substrate is removed in a window shape by an etching step, so that only the silicon nitride membrane 4 remains in this area. The silicon nitride membrane 4 produced in this way is characterized by a very low thermal conductivity and great robustness; at a thickness of 200 nm, it resists, for example, a pressure difference of 1 bar.

Das Peltier-Element 6, 8, 10 und der mit ihm wärmeleitfähig verbundene Siliziumchip 2 wird durch einen von einer nicht dargestellten Stromquelle erzeugten Stromfluß durch den Me tallblock 8, den Kupferblock 6 und den Metallblock 10 ge kühlt. Wenn die Membran 4 den Taupunkt bzw. die Taupunkt temperatur bei der gegebenen, zu messenden Luftfeuchtigkeit unterschreitet, bildet sich auf der Oberfläche der Membran 4 durch Kondensation des in der umgebenden Atmosphäre ent haltenen Wassers ein Niederschlag. Bei einer dünnen Silizi umnitridmembran ist der Wärmeaustausch mit der umgebenden Luft über den Wandwärmeübergang stärker als der Wärmeaus tausch mit dem Siliziumchip durch Wärmeleitung in der Mem bran. Wird durch ein Peltier-Element der Siliziumchip ge kühlt, so wird die Membran der Temperaturerniedrigung nur zum Teil folgen. Daher ist es sinnvoll, die Kühlung über einen Kühlfinger, der nur durch einen dünnen Luftspalt von der Membran getrennt ist, direkt auf die ganze Fläche wir ken zu lassen.The Peltier element 6 , 8 , 10 and the silicon chip 2 thermally conductively connected to it is cooled by a current flow generated by a power source (not shown) through the metal block 8 , the copper block 6 and the metal block 10 . If the membrane 4 falls below the dew point or the dew point temperature at the given air humidity to be measured, a precipitate forms on the surface of the membrane 4 by condensation of the water contained in the surrounding atmosphere. In the case of a thin silicon nitride membrane, the heat exchange with the surrounding air via the wall heat transfer is stronger than the heat exchange with the silicon chip through heat conduction in the membrane. If the silicon chip is cooled by a Peltier element, the membrane will only partially follow the temperature reduction. Therefore, it makes sense to let the cooling work directly on the entire surface using a cooling finger, which is only separated from the membrane by a thin air gap.

In Fig. 1 weist der Kupferblock 6 einen Abschnitt 14 auf, der die Gestalt und die Funktion eines Kühlfingers für die Membran 4 hat. Er reicht von unten an die Membran 4 heran und ist im wesentlichen über die gesamte Fläche der Membran 4 nur durch einen dünnen Luftspalt von der Membran 4 ge trennt. Eine Abkühlung der Membran 4 erfolgt deshalb über ihre gesamte Fläche im wesentlichen gleichmäßig, d. h. es stellt sich während des Abkühlens ein im wesentlichen über die gesamte Membran 4 flach verlaufendes räumliches Tempe raturprofil der Membran 4 ein. Dadurch findet die Bildung eines Niederschlags auf der Oberfläche der Membran 4 wäh rend des Abkühlens an allen Orten an der Oberfläche der Membran 4 im wesentlichen zur selben Zeit statt.In FIG. 1, the copper block 6 has a section 14 which has the shape and the function of a cooling finger for the membrane 4 . It extends from below to the membrane 4 and is essentially separated over the entire surface of the membrane 4 only by a thin air gap from the membrane 4 . A cooling of the membrane 4 is therefore carried out substantially uniformly over its entire surface, that is, during cooling, a spatial profile of the membrane 4 running essentially flat over the entire membrane 4 is established . As a result, the formation of a precipitate on the surface of the membrane 4 takes place at the same time during the cooling at all locations on the surface of the membrane 4 .

Beim Erreichen einer Temperatur der Membran 4 unter dem Taupunkt, d. h. nach der Bildung eines Niederschlags, wird die Membran 4 mittels eines Stromflusses durch die Leiter struktur erwärmt, so daß ihre Temperatur wieder ansteigt. Wenn die Temperatur der Membran 4 den Taupunkt überschrei tet, löst sich der Niederschlag auf der Oberfläche der Mem bran 4 wieder auf, d. h. das kondensierte Wasser verdampft und geht in die umgebende Atmosphäre über. Beim Erreichen einer Temperatur oberhalb des Taupunkts, d. h. nach dem Ver dampfen des Niederschlags, wird der Stromfluß durch die Leiterstruktur auf der Membran 4 ausgeschaltet. Die Membran 4 wird dadurch nicht mehr weiter erwärmt, sondern durch die Wirkung des Peltier-Elements und über den Kühlfinger 14 wieder abgekühlt und unterschreitet erneut den Taupunkt.When the membrane 4 reaches a temperature below the dew point, ie after the formation of a precipitate, the membrane 4 is heated by means of a current flow through the conductor structure, so that its temperature rises again. If the temperature of the membrane 4 exceeds the dew point, the precipitate on the surface of the membrane 4 dissolves again, ie the condensed water evaporates and passes into the surrounding atmosphere. When a temperature above the dew point is reached, ie after the precipitation evaporates, the current flow through the conductor structure on the membrane 4 is switched off. The membrane 4 is no longer heated as a result, but is cooled again by the action of the Peltier element and via the cooling finger 14 and again falls below the dew point.

Der beschriebene Zyklus des Abkühlens der Membran 4 unter den Taupunkt und des Erwärmens der Membran 4 über den Tau punkt wird beliebig oft wiederholt. The described cycle of cooling the membrane 4 below the dew point and heating the membrane 4 above the dew point is repeated as often as desired.

Es ist eine wichtige Eigenschaft der vorliegenden Erfin dung, daß der Zyklus des Abkühlens unter den Taupunkt und des Erwärmens über den Taupunkt nur von der Membran 4 durchlaufen wird. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich dadurch sehr wesentlich vom Stand der Technik, bei dem Feuchtesensoren nach dem Taupunktprinzip im wesentlichen vollständig einen Zyklus des Abkühlens unter den Taupunkt und des Erwärmens über den Taupunkt durchlaufen. Die Mem bran 4 weist aufgrund ihrer geringen Dicke eine sehr gerin ge auf ihre Fläche bezogene Wärmekapazität auf. Da sie im wesentlichen nur die Leiterstruktur zum elektrischen Erwär men trägt, die stark miniaturisierbar ist, können auch die lateralen Abmessungen der Membran 4 klein gewählt werden. Aus der Kleinheit und der geringen Wärmekapazität der Mem bran 4 folgt, daß zum Erwärmen derselben über die Leiter struktur nur eine vergleichsweise sehr geringe elektrische Leistung erforderlich ist. Ferner wird durch das gute Ver hältnis zwischen der Oberfläche der Membran 4 und ihrer Wärmekapazität eine Bestimmung des Taupunkts aus der Analy se der Kurvenform der Aufheizkurve möglich, die bisher nicht bzw. nicht annähernd mit einer vergleichbaren Genau igkeit möglich war.It is an important property of the present invention that the cycle of cooling below the dew point and heating above the dew point is performed only by the membrane 4 . The present invention differs very significantly from the prior art, in which moisture sensors based on the dew point principle essentially go through a cycle of cooling below the dew point and heating above the dew point. Due to its small thickness, the membrane 4 has a very low heat capacity based on its area. Since it essentially only carries the conductor structure for electrical heating, which can be miniaturized to a large extent, the lateral dimensions of the membrane 4 can also be selected to be small. From the small size and the low heat capacity of the Mem bran 4 it follows that only a comparatively very low electrical power is required to heat the same over the conductor structure. Furthermore, the good relationship between the surface of the membrane 4 and its heat capacity enables the dew point to be determined from the analysis of the curve shape of the heating curve, which was previously impossible or not possible with a comparable accuracy.

Die Membran 4, die Leiterstruktur auf der Membran 4, die zum Erwärmen der Membran 4 verwendete elektrische Heizlei stung, das Peltier-Element 6, 8, 10, die Kühlleistung des Peltier-Elements 6, 8, 10, der Kühlfinger 14 und der Luftspalt zwischen der Membran 4 und dem Kühlfinger 14 sind hinsichtlich ihres Aufbaus, ihrer Abmessungen und ihrer re lativen räumlichen Anordnung so ausgelegt, daß die Heizlei stung der Leiterstruktur auf der Membran 4 größer ist als die von der Membran 4 über den Siliziumchip 2 und den Kühl finger 14 an das Peltier-Element 6, 8, 10 abgeführte Wärme leistung. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb des Peltier-Elements 6, 8, 10 mit einer konstanten Kühllei stung, während die Membran 4 den oben beschriebenen Zyklus des Abkühlens unter den Taupunkt und des Erwärmens über den Taupunkt ausschließlich aufgrund eines An- und Ausschaltens der Heizleistung der Leiterstruktur durchläuft.The membrane 4 , the conductor structure on the membrane 4 , the electric Heizlei stung used to heat the membrane 4 , the Peltier element 6 , 8 , 10 , the cooling capacity of the Peltier element 6 , 8 , 10 , the cooling finger 14 and the air gap between the membrane 4 and the cooling finger 14 are designed in terms of their structure, their dimensions and their re lative spatial arrangement so that the Heizlei stung the conductor structure on the membrane 4 is larger than that of the membrane 4 via the silicon chip 2 and the cooling finger 14 to the Peltier element 6 , 8 , 10 dissipated heat output. This enables continuous operation of the Peltier element 6 , 8 , 10 with a constant Kühllei stung, while the membrane 4 the above-described cycle of cooling below the dew point and heating above the dew point solely due to switching the heating power of the conductor structure on and off passes.

Vorzugsweise ist der Siliziumchip zusammen mit der Kühlsei te des Peltier-Elements, d. h. dem Kupferblock 6 und den an diesen grenzenden Enden der Metallblöcke 8, 10, von einer Wärmeisolation umgeben, die nur im Bereich der Membran 4 eine Öffnung, beispielsweise in Form eines Fensters, auf weist, um die Membran 4 der Umgebungsluft auszusetzen. Durch die Wärmeisolation wird ein Kälteverlust des Peltier- Elements und des Siliziumchips reduziert und findet im we sentlichen nur noch über Wärmeleitung zur Membran 4 und über die Metallblöcke 8, 10 bzw. daran anschließende Ver bindungskabel zu der durch den Betrieb des Peltier-Elements erwärmten Lötstelle statt. Die Kühlleistung des Peltier- Elements muß somit im wesentlichen nur die mittlere Heiz leistung der Leiterstruktur auf der Membran 4 und den Käl teverlust über die Membran 4 an die Umgebung kompensieren. Da die Membran 4 sehr klein ausgeführt sein kann, kann auch die Kühlleistung sehr klein sein.Preferably, the silicon chip together with the cooling side of the Peltier element, ie the copper block 6 and the ends of the metal blocks 8 , 10 bordering on these, are surrounded by thermal insulation which only has an opening in the area of the membrane 4 , for example in the form of a window , has to expose the membrane 4 to the ambient air. Due to the thermal insulation, a loss of cold of the Peltier element and the silicon chip is reduced and is essentially only via heat conduction to the membrane 4 and via the metal blocks 8 , 10 or subsequent connecting cable to the soldering point heated by the operation of the Peltier element instead of. The cooling capacity of the Peltier element thus essentially only has to compensate for the average heating power of the conductor structure on the membrane 4 and the loss of cold via the membrane 4 to the environment. Since the membrane 4 can be made very small, the cooling capacity can also be very small.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung die Realisierung eines Feuchtesensors, dessen Betrieb eine nur geringe Leistung erfordert, da sowohl aufgrund der geringen Wärmekapazität und der kleinen Fläche der Membran 4 eine geringe Heizlei stung der Leiterstruktur auf der Membran 4 als auch auf grund der geringen Heizleistung der Leiterstruktur auf der Membran 4 und des geringen Wärmeverlusts im wesentlichen nur über die kleine Fläche der Membran 4 eine geringe Kühl leistung erforderlich ist.Overall, the invention enables the realization of a moisture sensor, the operation of which requires only a low power, since both the low heat capacity and the small area of the membrane 4 mean that the conductor structure on the membrane 4 is low in heating capacity and also due to the low heating power of the conductor structure the membrane 4 and the low heat loss essentially only over the small area of the membrane 4 a low cooling power is required.

Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist neben den beschriebenen Elementen und Merkmalen eine Ein richtung zum Bestimmen einer Änderung eines Niederschlags zustands auf der Membran 4 und zum Ermitteln der Feuchte aus der bestimmten Niederschlagszustandsänderung auf. Die Bestimmung der Änderung des Niederschlagszustands auf der Membran 4 kann ähnlich wie bei Feuchtesensoren nach dem Taupunktprinzip gemäß dem Stand der Technik optisch, kapa zitiv oder resistiv erfolgen.The exemplary embodiment of the present invention has, in addition to the elements and features described, a device for determining a change in a precipitation state on the membrane 4 and for determining the moisture from the determined change in the precipitation state. The determination of the change in the state of precipitation on the membrane 4 can be carried out optically, capacitively or resistively, similarly to moisture sensors based on the dew point principle according to the prior art.

Optisch erfolgt eine Bestimmung einer Änderung des Nieder schlagszustands auf der Membran 4 bevorzugt durch eine Än derung der optischen Transmissions- oder Reflexionseigen schaften der Oberfläche der Membran 4. Zur Messung der Re flexionseigenschaften der Oberfläche der Membran 4 werden beispielsweise gegenüber der Oberfläche eine Lichtquelle und ein Lichtsensor so angebracht, daß Licht von der Licht quelle den Lichtsensor nicht direkt, sondern nur nach einer Reflexion an der Oberfläche der Membran 4 erreichen kann. Eine Betauung der Membran 4 ändert die Lichtstreuung an de ren Oberfläche und somit die Intensität des von der Licht quelle stammenden und an der Oberfläche der Membran 4 re flektierten Lichts verglichen mit dem unbetauten Zustand der Oberfläche der Membran 4. Eine Änderung der von dem Lichtsensor gemessenen Lichtintensität ist somit ein Signal für eine Änderung des Niederschlagszustands auf der Membran 4.A change in the state of precipitation on the membrane 4 is determined optically, preferably by changing the optical transmission or reflection properties of the surface of the membrane 4 . To measure the re flexion properties of the surface of the membrane 4 , for example, a light source and a light sensor are attached to the surface so that light from the light source can not reach the light sensor directly, but only after a reflection on the surface of the membrane 4 . Thawing of the membrane 4 changes the light scattering on the surface and thus the intensity of the light originating from the light source and reflected on the surface of the membrane 4 compared to the undisturbed state of the surface of the membrane 4 . A change in the light intensity measured by the light sensor is thus a signal for a change in the state of precipitation on the membrane 4 .

Zur Messung der Transmissionseigenschaften der Membran 4 wird eine Lichtquelle auf einer Seite der Membran 4 und ein Lichtsensor auf der anderen Seite der Membran 4 so ange bracht, daß Licht von der Lichtquelle den Lichtsensor nur auf einem Weg durch die Membran 4 und auf keinem anderen Weg erreichen kann. Eine Betauung der Membran 4 ändert die Lichtstreuung an der Oberfläche der Membran 4 und damit die Intensität des von der Lichtquelle durch die Membran 4 hin durch den Lichtsensor erreichenden Lichts. Eine Änderung der durch den Lichtsensor gemessenen Lichtintensität ist somit ein Signal für eine Änderung des Niederschlagszu stands auf der Membran 4.To measure the transmission properties of the membrane 4 , a light source on one side of the membrane 4 and a light sensor on the other side of the membrane 4 is placed so that light from the light source, the light sensor only in one way through the membrane 4 and no other way can reach. Thawing of the membrane 4 changes the light scattering on the surface of the membrane 4 and thus the intensity of the light reaching from the light source through the membrane 4 through the light sensor. A change in the light intensity measured by the light sensor is thus a signal for a change in the precipitation status on the membrane 4 .

Eine kapazitive Bestimmung des Niederschlagszustands auf der Membran 4 ist durch zwei Elektroden möglich, die an der Membran 4 angeordnet sind. Die Elektroden sind voneinander elektrisch isoliert, beispielsweise indem mindestens eine der beiden Elektroden mit einem elektrisch isolierenden Überzug versehen ist. Eine Betauung der Oberfläche der Mem bran 4 ändert die mittlere bzw. effektive Dielektrizitäts konstante zwischen den Elektroden und somit die elektrische Kapazität zwischen den Elektroden verglichen mit einem un betauten Zustand. Eine Änderung der Kapazität zwischen den Elektroden ist somit ein Signal für eine Änderung des Nie derschlagszustands auf der Membran 4.A capacitive determination of the state of precipitation on the membrane 4 is possible by means of two electrodes which are arranged on the membrane 4 . The electrodes are electrically insulated from one another, for example in that at least one of the two electrodes is provided with an electrically insulating coating. Thawing the surface of the membrane 4 changes the mean or effective dielectric constant between the electrodes and thus the electrical capacitance between the electrodes compared to an un-condensed state. A change in the capacitance between the electrodes is thus a signal for a change in the state of impact on the membrane 4 .

Eine resistive Bestimmung einer Änderung des Niederschlags zustands auf der Membran 4 ist durch zwei nicht isolierte Elektroden möglich, die an der Oberfläche der Membran 4 an geordnet sind. Eine Betauung der Membran 4 ändert deren elektrischen Oberflächenwiderstand und somit den Widerstand zwischen den Elektroden verglichen mit einem unbetauten Zu stand der Oberfläche. Eine Änderung des elektrischen Wider stands zwischen den Elektroden ist somit ein Signal für ei ne Änderung des Niederschlagszustands auf der Membran 4.A resistive determination of a change in the precipitation state on the membrane 4 is possible by means of two non-insulated electrodes which are arranged on the surface of the membrane 4 . A thawing of the membrane 4 changes its electrical surface resistance and thus the resistance between the electrodes compared to an undewed state of the surface. A change in the electrical resistance between the electrodes is thus a signal for a change in the state of precipitation on the membrane 4 .

Die geringe Wärmekapazität der dünnen Membran 4, insbeson dere das günstige, d. h. große Verhältnis zwischen der Oberfläche der Membran 4 und ihrer Wärmekapazität, ermög licht bei einem Feuchtesensor gemäß der vorliegenden Erfin dung ferner eine Bestimmung einer Änderung des Nieder schlagszustands auf der Membran 4 aus einer Analyse der Kurvenform einer Aufheizkurve. Die Aufheizkurve ist eine Darstellung der Zeitabhängigkeit der Temperatur der Membran 4 während des Erwärmens der Membran 4 mittels der Leiter struktur.The low heat capacity of the thin membrane 4 , in particular the favorable, ie large ratio between the surface of the membrane 4 and its heat capacity, allows light in a moisture sensor according to the present invention also a determination of a change in the precipitation on the membrane 4 from a Analysis of the curve shape of a heating curve. The heating curve is a representation of the time dependence of the temperature of the membrane 4 during the heating of the membrane 4 by means of the conductor structure.

Eine typische Aufheizkurve ist in Fig. 2 schematisch darge stellt. Eine Spannung U an einem von einem konstanten Strom durchflossenen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand oder an einem andersartigen Temperatursensor stellt ein Maß für die Temperatur am Ort des Temperatursensors auf der Membran 4 dar. Ausgehend von einer Temperatur unter dem Taupunkt wird beim Erwärmen der Membran 4 zunächst ein Be reich A der in Fig. 2 dargestellten Aufheizkurve durchlaufen. Die effektive Wärmekapazität der Membran 4 setzt sich hier zusammen aus der eigentlichen Wärmekapazität der Mem bran 4 und der Wärmekapazität des Niederschlags auf der Membran 4. Die Erhöhung der Temperatur der Membran 4 er folgt mit einer bestimmten Rate entsprechend einer bestimm ten Steigung der Aufheizkurve, die im wesentlichen von der Leistung der Leiterstruktur auf der Membran 4, von dem Wär meübergang von der Membran 4 auf den Siliziumchip 2, den Kühlfinger 14 und die Umgebung, von der eigentlichen Wärme kapazität der Membran 4 und von der Wärmekapazität des Nie derschlags auf der Membran 4, d. h. von der spezifischen Wärmekapazität und der Dicke des Niederschlags, ab. Über dem Taupunkt durchläuft die Aufheizkurve einen Bereich C. Hier ist die effektive Wärmekapazität der Membran 4 gleich der eigentlichen Wärmekapazität der Membran 4, da kein Nie derschlag mehr vorhanden ist. Die Rate des Temperaturan stiegs bzw. die Steigung der Aufheizkurve ist somit nicht mehr von einer Wärmekapazität eines Niederschlags abhängig und entsprechend steiler.A typical heating curve is shown schematically in FIG. 2. A voltage U at a temperature-dependent electrical resistance through which a constant current flows or at a different type of temperature sensor represents a measure of the temperature at the location of the temperature sensor on the membrane 4. Starting from a temperature below the dew point, when the membrane 4 is heated, a load is first applied range A through the heating curve shown in FIG. 2. The effective heat capacity of the membrane 4 is composed here of the actual heat capacity of the membrane 4 and the heat capacity of the precipitation on the membrane 4th The increase in the temperature of the membrane 4 follows it at a certain rate corresponding to a certain slope of the heating curve, which essentially depends on the performance of the conductor structure on the membrane 4 , on the heat transfer from the membrane 4 to the silicon chip 2 , and the cooling finger 14 and the environment, from the actual heat capacity of the membrane 4 and from the heat capacity of the impact on the membrane 4 , ie from the specific heat capacity and the thickness of the precipitate. Above the dew point, the heating curve passes through an area C. Here, the effective heat capacity of the membrane 4 is equal to the actual heat capacity of the membrane 4 , since there is no longer any blow. The rate of the temperature rise or the slope of the heating curve is therefore no longer dependent on the heat capacity of a precipitation and is correspondingly steeper.

Zwischen den Bereichen A und C der Aufheizkurve kann sich bei dem Taupunkt bzw. der Taupunkttemperatur ein Plateau in der Aufheizkurve ausbilden. Nach Erreichen des Taupunkts wird durch die Heizleistung der Leiterstruktur auf der Mem bran 4 zunächst der Niederschlag auf der Membran 4 ver dampft. Die zeitliche Dauer des Plateaus B der Aufheizkurve hängt außer von der Heizleistung der Leiterstruktur und dem Wärmeübergang von der Membran 4 auf den Siliziumchip 2, den Kühlfinger 14 und die Umgebung vor allem von der latenten Wärme des Phasenübergangs flüssig-gasförmig des Nieder schlags, d. h. von seiner spezifischen latenten Wärme und seiner Dicke ab.Between areas A and C of the heating curve, a plateau can form in the heating curve at the dew point or the dew point temperature. After reaching the dew point, the heat on the conductor structure on the membrane 4 initially evaporates the precipitate on the membrane 4 . The duration of the plateau B of the heating curve depends not only on the heating power of the conductor structure and the heat transfer from the membrane 4 to the silicon chip 2 , the cooling finger 14 and the environment, but above all from the latent heat of the liquid-gas phase transition of the precipitation, ie its specific latent heat and its thickness.

Eine Bestimmung einer Änderung des Niederschlagszustands auf der Membran 4 ist somit bei der erfindungsgemäßen Ver wendung einer dünnen Membran 4 aus einer Analyse der Stei gung der Aufheizkurve, d. h. der Rate der Erhöhung der Tem peratur der Membran 4 während des Erwärmens, oder durch Erfassen der Temperatur eines Plateaus der Aufheizkurve, d. h. der Temperatur, bei der die Rate der Erhöhung der Tempe ratur der Membran 4 stark abnimmt oder im Idealfall ver schwindet, möglich. Beide möglichen Analysen der Aufheiz kurve sind durch digitale oder analoge elektronische Schal tungen realisierbar.A determination of a change in the state of precipitation on the membrane 4 is thus when using a thin membrane 4 according to the invention from an analysis of the slope of the heating curve, ie the rate of increase in the temperature of the membrane 4 during heating, or by detecting the temperature a plateau of the heating curve, ie the temperature at which the rate of increase in the temperature of the membrane 4 decreases sharply or ideally disappears, is possible. Both possible analyzes of the heating curve can be implemented using digital or analog electronic circuits.

Die Temperatur der Membran 4 kann durch einen beliebigen Temperatursensor gemessen werden, beispielsweise durch ei nen an der Membran 4 angebrachten temperaturabhängigen Wi derstand, ein Thermoelement oder aber einen Sensor, der die Wärmestrahlung der Membran 4 mißt. Ein besonders einfacher Aufbau des Feuchtesensors ist möglich, wenn die Leiter struktur auf der Membran 4 einen temperaturabhängigen Wi derstand aufweist und gleichzeitig zum Erwärmen der Membran 4 und zum Messen ihrer Temperatur verwendet wird. Dazu wird die Leiterstruktur mit einem vorbestimmten, konstanten Strom geheizt und gleichzeitig die an ihr abfallende Span nung U als Maß für die Temperatur der Membran 4 gemessen. Diese Konfiguration ist nicht nur in Hinsicht auf eine Ver einfachung des Aufbaus und der Herstellung des Feuchtesen sors und auf eine Miniaturisierung der Membran 4 vorteil haft, sondern bietet darüber hinaus auch eine Temperatur messung, die einen großflächigen Mittelwert über die Mem bran 4 bildet.The temperature of the membrane 4 can be measured by any temperature sensor, for example by a temperature-dependent resistor attached to the membrane 4 , a thermocouple or a sensor that measures the thermal radiation of the membrane 4 . A particularly simple structure of the moisture sensor is possible if the conductor structure on the membrane 4 has a temperature-dependent resistance and is used at the same time for heating the membrane 4 and for measuring its temperature. For this purpose, the conductor structure is heated with a predetermined, constant current and at the same time the voltage U falling across it is measured as a measure of the temperature of the membrane 4 . This configuration is advantageous not only in terms of simplifying the construction and manufacture of the moisture sensor and miniaturization of the membrane 4 , but also offers a temperature measurement which forms a large-area average over the membrane 4 .

Anstatt der oben beschriebenen Speisung der Leiterstruktur auf der Membran 4 mit einem konstanten Strom und der Mes sung der aufgrund des Stroms an der Leiterstruktur abfal lenden Spannung als Maß für die Temperatur kann auch umge kehrt eine vorbestimmte, konstante Spannung an die Leiter struktur angelegt werden und der infolge dieser Spannung durch die Leiterstruktur fließende Strom als Maß für die Temperatur der Membran 4 gemessen werden. Unter bestimmten Umständen kann aber auch eine Verwendung eines separaten oder sogar von mehreren von der Leiterstruktur getrennten Temperatursensoren, beispielsweise in Form von einem oder mehreren Thermoelementen und/oder temperaturabhängigen Widerständen, auf der Membran 4 vorteilhaft sein. Die durch eine Aufteilung der Funktionalitäten von Heizern und Tempe raturmessern auf getrennte Bauelemente mögliche galvanische Trennung bietet Vorteile bei der elektronischen Auswertung der Signale.Instead of the supply of the conductor structure on the membrane 4 with a constant current and the measurement of the voltage drop due to the current at the conductor structure as a measure of the temperature, a predetermined, constant voltage can also be applied to the conductor structure and vice versa the current flowing through the conductor structure as a result of this voltage can be measured as a measure of the temperature of the membrane 4 . Under certain circumstances, however, it may also be advantageous to use a separate or even a plurality of temperature sensors on the membrane 4 , for example in the form of one or more thermocouples and / or temperature-dependent resistors, which are separate from the conductor structure. The galvanic isolation possible by dividing the functionalities of heaters and temperature meters into separate components offers advantages in the electronic evaluation of the signals.

Neben einer Analyse der oben beschriebenen Aufheizkurve, die während eines Erwärmens der Membran 4 aufgenommen bzw. gemessen wird, ist auch die Erfassung einer "Abkühlkurve" während des Abkühlens der Membran 4 ohne Heizung über die Leiterstruktur möglich. Diese Abkühlkurve hat abhängig von der Leistung der durch das Peltier-Element 6, 8, 10 auf die Membran 4 übertragenen Kühlleistung eine ähnliche Gestalt wie die in Fig. 2 dargestellte Aufheizkurve, jedoch mit um gekehrter Zeitabhängigkeit. Da eine Kondensation von Luft feuchtigkeit auf der Membran 4 zur Bildung eines Nieder schlags jedoch durch eine damit automatisch einher gehende lokale Verringerung der Luftfeuchtigkeit in der Nähe der Membran 4 gebremst wird, tritt das Plateau B aubgeschwächt oder nicht auf, stattdessen kann auch lediglich eine Ver ringerung der Rate der Temperaturverringerung bzw. der Steigung der Abkühlkurve unter dem Taupunkt beobachtbar sein.In addition to an analysis of the heating curve described above, which is recorded or measured while the membrane 4 is being heated, it is also possible to record a "cooling curve" during the cooling of the membrane 4 without heating via the conductor structure. Depending on the power of the cooling power transmitted through the Peltier element 6 , 8 , 10 to the membrane 4 , this cooling curve has a shape similar to the heating curve shown in FIG. 2, but with an inverse time dependence. Since a condensation of air moisture on the membrane 4 to form a precipitate is braked by an automatically associated local reduction in humidity in the vicinity of the membrane 4 , the plateau B occurs weakened or not, instead, only a Ver decrease in the rate of temperature reduction or the slope of the cooling curve below the dew point can be observed.

Eine Erfassung der Abkühlkurve ist auch dann möglich, wenn neben der Leiterstruktur kein weiterer Temperatursensor an der Membran 4 vorhanden ist, und die Messung der Temperatur der Membran 4 während des Erwärmens durch eine Messung der Spannung an bzw. des Stroms durch die Leiterstruktur er folgt. Zum Messen der Temperatur der Membran 4 während des Abkühlens wird in diesem Fall an der Leiterstruktur ein so kleiner Strom bzw. eine so kleine Spannung angelegt, daß die resultierende Heizleistung kleiner als die Leistung der durch das Peltier-Element 6, 8, 10 auf die Membran 4 über tragene Kühlwirkung ist. Eine weitere Verbesserung der Ge nauigkeit der Feuchtemessung mit dem erfindungsgemäßen Feuchtesensor ist durch eine Kombination der Analysen von Aufheizkurve und Abkühlkurve, beispielsweise durch eine Mittelung der aus beiden bestimmten Meßwerte des Taupunkts, erfolgen.Detection of the cooling curve is also possible if, in addition to the conductor structure, there is no further temperature sensor on the membrane 4 , and the measurement of the temperature of the membrane 4 during heating by measuring the voltage or current through the conductor structure. To measure the temperature of the membrane 4 during cooling, such a small current or voltage is applied to the conductor structure in this case that the resulting heating power is less than the power of the Peltier element 6 , 8 , 10 on the Membrane 4 is carried cooling effect. A further improvement in the accuracy of the moisture measurement using the moisture sensor according to the invention can be achieved by combining the analyzes of the heating curve and the cooling curve, for example by averaging the measured values of the dew point determined from both.

Die Einrichtung zum Bestimmen einer Änderung eines Nieder schlagszustands auf der Membran und zum Ermitteln der Feuchte aus der bestimmten Niederschlagszustandsänderung umfaßt neben den beschriebenen Merkmalen zum Bestimmen ei ner Änderung eines Niederschlagszustandes ferner vorzugs weise eine Einrichtung zum Erfassen einer Umgebungstempera tur. Dies kann ein dem Feuchtesensor zugeordneter Tempera tursensor sein, der so angebracht ist, daß er die Tempera tur der den Feuchtesensor umgebenden Atmosphäre mißt. Zur Vermeidung einer Beeinflussung dieser Temperaturmessung durch die Kühl- bzw. Heizwirkung des Peltier-Elements kann dieser beispielsweise von dem Peltier-Element räumlich ge trennt oder durch ein Wärmeschild von dem Peltier-Element 6, 8, 10 thermisch entkoppelt angeordnet sein. Alternativ kann die Einrichtung zum Bestimmen und zum Ermitteln bei spielsweise eine Schnittstelle aufweisen, über die sie eine von einer anderen Vorrichtung gemessene Umgebungstemperatur in Form eines analogen oder digitalen Signals erhält.The device for determining a change in a precipitation state on the membrane and for determining the moisture from the determined change in precipitation state also includes, in addition to the described features for determining a change in a precipitation state, preferably a device for detecting an ambient temperature. This can be a temperature sensor assigned to the humidity sensor, which is attached so that it measures the temperature of the atmosphere surrounding the humidity sensor. To avoid influencing this temperature measurement by the cooling or heating effect of the Peltier element, the latter can be spatially separated from the Peltier element, for example, or can be arranged thermally decoupled from the Peltier element 6 , 8 , 10 by a heat shield. Alternatively, the device for determining and determining can have, for example, an interface via which it receives an ambient temperature measured by another device in the form of an analog or digital signal.

Ferner umfaßt die Einrichtung zum Bestimmen und zum Ermit teln eine Vorrichtung zum Ermitteln der Feuchte aus dem be stimmten Taupunkt und der bestimmten Umgebungstemperatur, beispielsweise mittels des sogenannten Molier-hx-Diagramms. Diese Vorrichtung kann beispielsweise eine analoge oder di gitale Vorrichtung sein, wie sie von herkömmlichen Feuchte sensoren nach dem Taupunktprinzip bekannt sind, beispiels weise ein Mikroprozessor.The device further comprises determining and determining teln a device for determining the moisture from the be correct dew point and the certain ambient temperature, for example using the so-called Molier-hx diagram. This device can for example be an analog or di gital device, as used by conventional moisture sensors based on the dew point principle are known, for example wise a microprocessor.

Die Einrichtung zum Bestimmen und zum Ermitteln steuert oder regelt ferner vorzugsweise die Kühlleistung des Pel tier-Elements 6, 8, 10, die Heizleistung der Leiterstruktur auf der Membran 4, die Zeitdauer des Erwärmens der Membran 4 und die Dauer des oben erwähnten Zyklusses aus dem Abküh len unter den Taupunkt und dem Erwärmen über den Taupunkt oder einen oder mehrere der erwähnten Parameter, um eine Anpassung an die Meßaufgabe, die gewünschte Wiederholungs rate der Messung, die gewünschte Genauigkeit der Messung, die vorhandene Feuchte bzw. Feuchtigkeit, den Luftdruck, die Umgebungstemperatur, etc. zu erzielen. Insbesondere werden dabei die genannten Parameter vorzugsweise so einge stellt, daß der während jedes Zyklusses durchlaufende Tem peraturbereich ein kleiner Temperaturbereich ist, der den Taupunkt umfaßt. Je kleiner der Temperaturhub während des Erwärmens der Membran 4 bzw. während des Abkühlens der Mem bran 4 ist, desto geringer ist der mit seiner Erzeugung verbundene Energieaufwand und desto häufiger kann der Zy klus durchlaufen werden, d. h. desto häufiger kann ein Meß wert des Taupunkts und in der Folge ein Meßwert der Feuchte bestimmt werden.The device for determining and determining preferably controls or regulates the cooling output of the pel-tier elements 6 , 8 , 10 , the heating output of the conductor structure on the membrane 4 , the duration of the heating of the membrane 4 and the duration of the above-mentioned cycle from the Cooling down below the dew point and heating above the dew point or one or more of the parameters mentioned in order to adapt to the measurement task, the desired repetition rate of the measurement, the desired accuracy of the measurement, the existing moisture or humidity, the air pressure, the To achieve ambient temperature, etc. In particular, the parameters mentioned are preferably set in such a way that the temperature range running through during each cycle is a small temperature range which includes the dew point. The smaller the temperature change during the heating of the membrane 4 or during the cooling of Mem bran is 4, the lower the energy expenditure associated with its production and the more frequently the Zy can be klus run through, that is the more frequently can be a measured value of the dew point and subsequently a measured value of the moisture can be determined.

Die Genauigkeit der oben beschriebenen Bestimmung des Tau punkts hängt wesentlich von dem räumlichen Temperaturprofil auf der Membran 4 ab. Für die Messung des Taupunkts ist es wichtig, daß das Temperaturprofil auf der Membran 4 flach ist, insbesondere während des Erwärmens. Andernfalls wird beim Erwärmen der Membran 4 der Taupunkt nicht an allen Or ten auf der Membran 4 gleichzeitig erreicht, sondern der Taupunkt läuft beim Erwärmen über die Membran 4. Dadurch wird der Effekt auf der Temperatur-Zeit-Kurve bzw. der Auf heizkurve verschmiert. Insbesondere vergrößert sich bei spielsweise der Übergangsbereich zwischen den Bereichen A und C der in Fig. 2 schematisch gezeigten Aufheizkurve, und anstatt eines Plateaus B ist nur noch ein Bereich verrin gerter Steigung zu beobachten. Bei einer optischen Bestim mung einer Änderung des Niederschlagszustands auf der Mem bran 4 hat ein nicht flaches Temperaturprofil der Membran 4 analog zur Folge, daß ein Niederschlag nicht an allen Orten auf der Membran 4 gleichzeitig verschwindet, sondern nach und nach und entsprechend anstatt einer abrupten Änderung der Reflexions- oder Transmissionseigenschaften der Ober fläche der Membran 4 nur eine allmähliche Änderung dersel ben meßbar ist. The accuracy of the determination of the dew point described above depends essentially on the spatial temperature profile on the membrane 4 . For the measurement of the dew point it is important that the temperature profile on the membrane 4 is flat, especially during the heating. Otherwise, when the membrane 4 is heated, the dew point is not reached at all locations on the membrane 4 at the same time, but the dew point runs over the membrane 4 when it is heated. This smears the effect on the temperature-time curve or on the heating curve. In particular, the transition region between regions A and C of the heating curve shown schematically in FIG. 2 increases, for example, and instead of a plateau B, only a region of reduced gradient can be observed. With an optical determination of a change in the state of precipitation on the membrane 4 , a non-flat temperature profile of the membrane 4 has the analogous consequence that precipitation does not disappear at all locations on the membrane 4 at the same time, but gradually and accordingly instead of an abrupt change the reflection or transmission properties of the upper surface of the membrane 4 only a gradual change can be measured ben same.

Um ein flaches räumliches Temperaturprofil auf der Membran 4 zu erhalten, gibt es neben der oben bereits erwähnten Ge staltung eines der Membran 4 flächig gegenüberliegenden Kühlfingers 14 die Möglichkeit, die Leiterstruktur auf der Membran 4 geeignet zu gestalten. In den Fig. 3a, 4a, 5a sind verschiedene Ausführungsbeispiele einer Leiterstruktur 20 auf der Membran 4 schematisch dargestellt. Die Fig. 3b, 4b und 5b zeigen schematisch die entsprechenden Temperatur profile im Schnitt durch die Membran 4 entlang der durch die gestrichelte Linie dargestellten Achse x.In order to obtain a flat spatial temperature profile on the membrane 4 , there is, in addition to the above-mentioned design of one of the membrane 4 opposite cooling finger 14, the possibility of making the conductor structure on the membrane 4 suitable. In FIGS. 3a, 4a, 5a, various embodiments of a conductor structure are schematically shown on the membrane 4 20. Figs. 3b, 4b and 5b show schematically the corresponding temperature profile in section through the membrane 4 along the direction shown by the dotted line x axis.

In Fig. 3a ist ein auf einer kleinen Teilfläche der Membran 4 lokalisierter Einzelheizer 20 dargestellt. Er erzeugt das in Fig. 3b gezeigte näherungsweise parabelförmige Profil. Der auf einer großen Fläche stattfindende Temperaturabfall zum Rand der Membran 4 hin, der durch den Siliziumchip 2 gekühlt ist, bedeutet eine ausgeprägte Temperaturinhomoge nität der Membran 4. Fig. 4a zeigt einen umlaufenden Ring heizer 22. Wie in Fig. 4b zu sehen ist, ist der Tempera turabfall zum Rand der Membran 4 hin auf eine deutlich kleinere Fläche beschränkt. Jedoch tritt im Inneren der Leiterschleife des Ringheizers 22 ein ausgeprägtes Minimum auf. Eine oder mehrere weitere Schleifen führen dazu, daß das Profil noch flacher wird. In Fig. 5a ist eine Leiter struktur 24 mit einer zusätzlichen Schleife gezeigt. In Fig. 5b ist zu erkennen, daß das Temperaturprofil der Mem bran 4 dadurch auch in einem mittleren Bereich der Membran 4 flacher wird. FIG. 3a shows an individual heater 20 located on a small partial area of the membrane 4 . It generates the approximately parabolic profile shown in FIG. 3b. The temperature drop taking place over a large area towards the edge of the membrane 4 , which is cooled by the silicon chip 2 , means a pronounced temperature inhomogeneity of the membrane 4 . Fig. 4a shows a circumferential ring heater 22. As can be seen in Fig. 4b, the temperature drop to the edge of the membrane 4 is limited to a significantly smaller area. However, a pronounced minimum occurs inside the conductor loop of the ring heater 22 . One or more other loops cause the profile to become even flatter. In Fig. 5a, a ladder structure 24 is shown with an additional loop. In Fig. 5b it can be seen that the temperature profile of the membrane 4 is thereby flatter in a central region of the membrane 4 .

Wie oben erwähnt, hängt die zeitliche Länge des Plateaus bzw. Absatzes C der Aufheizkurve aus Fig. 2 von der Dicke bzw. der Menge des Niederschlags auf der Membran 4 ab. Dar aus resultiert ein weiterer möglicher Betriebsmodus des Feuchtesensors gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem aus der Breite des Plateaus B der Aufheizkurve die Menge der niedergeschlagenen Feuchtigkeit ermittelt wird. Die Membran 4 wird eine definierte Zeit lang gekühlt. Aus der Menge des Wassers, das sich danach auf der Membran 4 befindet, d. h. aus der Breite des Absatzes der Aufheizkurve, wird die relative Feuchte ermittelt. Dieses Verfahren kann auch auf Eisbildung ausgedehnt werden. Wird die Membran 4 unter 0°C gekühlt und dort eine definierte Zeit lang gehal ten, so bildet sich auf der Membran 4 ein gefrorener Nie derschlag. Beim Aufheizen wird dessen Masse gemessen und die Feuchte daraus ermittelt. Damit kann der Einsatzbereich des Sensors erweitert werden. Insbesondere ist ein Betrieb bei niedrigen Temperaturen möglich. Bei Raumtemperatur wird eine Messung von Luft mit geringer relativer Feuchte (unter 20%) möglich.As mentioned above, the time length of the plateau or step C of the heating curve from FIG. 2 depends on the thickness or the amount of precipitation on the membrane 4 . This results in a further possible operating mode of the moisture sensor according to the present invention, in which the amount of moisture deposited is determined from the width of the plateau B of the heating curve. The membrane 4 is cooled for a defined time. The relative humidity is determined from the amount of water that is then on the membrane 4 , ie from the width of the shoulder of the heating curve. This process can also be extended to ice formation. If the membrane 4 is cooled below 0 ° C and held there for a defined period of time, a frozen precipitate forms on the membrane 4 . When it is heated, its mass is measured and the moisture is determined from it. The field of application of the sensor can thus be expanded. In particular, operation at low temperatures is possible. At room temperature it is possible to measure air with a low relative humidity (below 20%).

Ein Niederschlagszustand auf der Membran 4, dessen Änderung durch die Einrichtung zum Bestimmen und zum Ermitteln zu bestimmen ist, umfaßt somit nicht nur die Zustände "betaut" bzw. "Niederschlag vorhanden" und "nicht betaut" bzw. "kein Niederschlag vorhanden", sondern auch die Zustände "flüssi ger Niederschlag vorhanden" und "gefrorener Niederschlag vorhanden". Die Einrichtung zum Bestimmen und zum Ermitteln kann folglich als Änderungen des Niederschlagszustands auf der Membran 4 nicht nur das Betauen bzw. Kondensieren eines Niederschlags bzw. Bilden eines Niederschlags und des Ab tauens bzw. Verdampfens eines Niederschlags bzw. Auflösen eines Niederschlags umfassen, sondern auch das Gefrieren eines Niederschlags bzw. das Bilden eines gefrorenen Nie derschlags, das Verflüssigen eines gefrorenen Niederschlags oder das Verdampfen eines gefrorenen Niederschlags umfas sen.A precipitation state on the membrane 4 , the change of which is to be determined by the device for determining and determining, thus includes not only the states "condensed" or "precipitation present" and "non-condensed" or "no precipitation available", but also the states "liquid precipitate present" and "frozen precipitate present". The device for determining and determining can consequently comprise not only the thawing or condensing of a precipitate or the formation of a precipitate and the thawing or evaporation of a precipitate or the dissolving of a precipitate, as changes in the precipitation state on the membrane 4 , but also that Freeze a precipitate or form a frozen precipitate, liquefy a frozen precipitate or evaporate a frozen precipitate.

Die Betauung einer Oberfläche ist von deren Beschaffenheit abhängig. Durch eine Veränderung der Benetzbarkeit und der Rauhigkeit der Oberfläche kann deren Betauung gezielt be einflußt und geändert werden. Dadurch kann der Einsatzbe reich des Feuchtesensors im Sinne der meßbaren Feuchte, des dabei vorliegenden Drucks und der Temperatur verändert und gegebenenfalls erweitert werden. Ferner wird dadurch auch eine Messung von Dämpfen von anderen Substanzen als Wasser und in anderen Gasen als Luft möglich. The dewing of a surface is of its nature dependent. By changing the wettability and the Surface roughness can be deliberately condensed be influenced and changed. This allows the Einsatzbe range of the humidity sensor in the sense of the measurable humidity, the existing pressure and temperature changed and be expanded if necessary. Furthermore, this will also a measurement of vapors from substances other than water and possible in gases other than air.

Die oben beschriebene Membran 4 aus Siliziumnitrid weist für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Feuchtesensor vorteilhafte Eigenschaften auf, da sie eine geringe Wärme leitfähigkeit besitzt, mit einer Dicke von 200 nm oder we niger sehr dünn ausführbar ist, gleichzeitig eine hohe Ro bustheit aufweist und einen großen Differenzdruck bzw. eine große Differenz zwischen den auf beiden Seiten der Membran 4 herrschenden Drücken standhält und im Rahmen herkömmli cher Technologien zur Herstellung und Bearbeitung von Halb leitern hergestellt werden kann. Für den erfindungsgemäßen Feuchtesensor sind jedoch alle Arten von Membranen geeig net, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und mög lichst dünn ausführbar sind. Beispielsweise kann die Mem bran 4 auch aus Siliziumkarbid oder einer sehr dünnen Kunststoff-Folie hergestellt werden.The membrane 4 made of silicon nitride described above has advantageous properties for use in the moisture sensor according to the invention, since it has a low thermal conductivity, can be made very thin with a thickness of 200 nm or less, at the same time has a high robustness and a large Differential pressure or a large difference between the pressure prevailing on both sides of the membrane 4 withstands and can be produced in the framework of conventional technologies for the production and processing of semiconductors. For the moisture sensor according to the invention, however, all types of membranes are suitable, which have a low thermal conductivity and are as thin as possible. For example, the membrane 4 can also be made of silicon carbide or a very thin plastic film.

Ferner ist unter einer Membran im Sinne dieser Erfindung jedes Bauelement zu verstehen, das eine geringe Wärmekapa zität und eine große Oberfläche aufweist, d. h., bei dem das Verhältnis aus seiner betaubaren Oberfläche und seiner Wärmekapazität groß ist. Dazu muß die Membran nicht notwen digerweise die Form eines flachen Körpers mit zwei plan parallelen Oberflächen aufweisen, sondern kann beispiels weise auch gewölbt oder gewellt ausgestaltet sein, eine Oberfläche mit Kühlrippen ähnlichen Stegen oder allgemein nicht planparallele Oberflächen aufweisenFurthermore, is under a membrane in the sense of this invention to understand every component that has a low heat capa has a large surface area, d. i.e., the the relationship between its buildable surface and its Heat capacity is large. The membrane does not have to be necessary for this the shape of a flat body with two planes have parallel surfaces, but can for example also be curved or corrugated, one Surface with fins similar to cooling fins or in general not have plane-parallel surfaces

Als Trägereinrichtung für die Membran 4 wurde oben ein Si liziumchip 2 beschrieben, wobei auch der Kupferblock 6 als Bestandteil der Trägereinrichtung angesehen werden kann. Der Siliziumchip 2 ist vorzugsweise mit der Membran 4 ein stückig ausgeführt, wobei zunächst die Siliziumnitrid schicht auf dem Siliziumchip gebildet wird und dann eine Teilfläche des Siliziumchips in Form eines Fensters ent fernt wird, um die Siliziumnitridschicht freizulegen und somit die Membran 4 zu bilden, wie es oben beschrieben wur de. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist jedoch nur die Verwendung einer Membran 4 mit den genannten vorteil haften Eigenschaften. Form, Gestalt und Aufbau einer Träge reinrichtung für die Membran 4 sind nur insofern für die Erfindung wesentlich, als sie eine nicht zu starke thermi sche Kopplung der Membran 4 mit der Trägereinrichtung und ein flaches räumliches Temperaturprofil der Membran 4 er möglichen.A silicon chip 2 has been described above as a carrier device for the membrane 4 , wherein the copper block 6 can also be regarded as a component of the carrier device. The silicon chip 2 is preferably made in one piece with the membrane 4 , wherein the silicon nitride layer is first formed on the silicon chip and then a partial surface of the silicon chip in the form of a window is removed to expose the silicon nitride layer and thus form the membrane 4 , as it was described above. What is essential for the present invention, however, is only the use of a membrane 4 with the advantageous properties mentioned. Shape, shape and structure of a support device for the membrane 4 are only essential for the invention insofar as they allow a not too strong thermal coupling of the membrane 4 to the carrier device and a flat spatial temperature profile of the membrane 4 .

Als Einrichtung zum Kühlen der Trägereinrichtung und der Membran 4 wurde oben ein Peltier-Element 6, 8, 10 beschrie ben. Dieses ist gut bekannt und einfach herstellbar und weist darüber hinaus den Vorteil auf, elektrisch betrieben zu werden und keine mechanisch bewegbaren Teile aufzuwei sen. Als Einrichtung zum Kühlen kann jedoch jede Einrich tung verwendet werden, die geeignet ist, die Trägereinrich tung und die Membran 4 unter den Taupunkt abzukühlen. Dies kann beispielsweise eine Verbindung zu einem anderweitig bereits vorhandenen Kältereservoir sein.As a device for cooling the carrier device and the membrane 4 , a Peltier element 6 , 8 , 10 was described above. This is well known and easy to manufacture and also has the advantage of being electrically operated and not having any mechanically movable parts. However, any device can be used as a device for cooling, which device is suitable for cooling the device and the membrane 4 below the dew point. This can be, for example, a connection to a cold reservoir that already exists elsewhere.

Als Einrichtung zum Erwärmen der Membran 4 wurde eine Lei terstruktur auf der Membran 4 beschrieben, deren elektri scher Widerstand zur ohmschen Heizung der Membran 4 verwen det wird. Daneben kann jede andere Einrichtung verwendet werden, die geeignet ist, um die Membran 4 in Überkompensa tion der Kühlleistung der Einrichtung zum Kühlen bis über den Taupunkt zu erwärmen und die an- und ausgeschaltet oder deren Leistung zumindest hinreichend moduliert werden kann. Insbesondere kann ein Erwärmen der Membran 4 auch durch Be strahlen mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise mit sichtbarem oder Infrarot-Licht erfolgen. Die Einrich tung zum Erwärmen umfaßt dazu eine Lichtquelle oder eine optische Einrichtung zum Leiten von Licht einer externen Lichtquelle auf die Membran 4 und zum Modulieren der da durch vermittelten Heizleistung.As a device for heating the membrane 4 , a Lei ter structure has been described on the membrane 4 , the electrical resistance for ohmic heating of the membrane 4 is used. In addition, any other device can be used which is suitable for heating the membrane 4 in overcompensating the cooling capacity of the device for cooling to above the dew point and which can be switched on and off or whose output can at least be sufficiently modulated. In particular, the membrane 4 can also be heated by radiation with electromagnetic radiation, for example with visible or infrared light. The Einrich device for heating includes a light source or an optical device for guiding light from an external light source on the membrane 4 and for modulating the heat output mediated by.

Claims

1. Moisture sensor with
a membrane ( 4 ) and a carrier device ( 2 ) for the membrane ( 4 )
means ( 6 , 8 , 10 ) for cooling the carrier device ( 2 ) and the membrane ( 4 );
means ( 20 ; 22 ; 24 ) for heating the membrane ( 4 ); and
a device for determining a change in a precipitation state on the membrane ( 4 ) and for determining the moisture from the determined change in precipitation state.

2. Moisture sensor according to claim 1, wherein the membrane 4 comprises a silicon nitride membrane or a silicon oxide membrane or a silicon carbide membrane.

3. Moisture sensor according to claim 1 or 2, wherein the carrier device comprises a silicon chip ( 2 ).

4. Moisture sensor according to one of claims 1 to 3, wherein the means for cooling comprises a Peltier element ( 6 , 8 , 10 ).

5. Moisture sensor according to one of claims 1 to 4, wherein the device for cooling ( 6 , 8 , 10 ) via a cooling finger ( 14 ) and an air gap with the membrane ( 4 ) is thermally conductively connected.

6. Moisture sensor according to one of claims 1 to 5, in which the device for heating the membrane ( 4 ) has a conductor structure ( 20 ; 22 ; 24 ) formed on the membrane ( 4 ).

7. Moisture sensor according to claim 6, wherein the conductor structure on the membrane ( 4 ) has the shape of a loop ( 22 ) or a meander.

8. Moisture sensor according to claim 6, wherein the conductor structure on the membrane ( 4 ) has the shape of a spiral-shaped loop ( 24 ).

9. Moisture sensor according to one of claims 1 to 8, at which the device for determining and determining a device for determining a heating curve (A, B, C).

10. Moisture sensor according to one of claims 1 to 8, wherein the means for determining and determining two spaced apart, non-insulated electrodes on the surface of the membrane ( 4 ) for determining the surface resistance of the membrane ( 4 ).

11. Moisture sensor according to one of claims 1 to 8, wherein the means for determining and determining two spaced electrodes on the upper surface of the membrane ( 4 ), at least one of which is isolated, for determining a capacitance between the two electrodes having.

12. Moisture sensor according to one of claims 1 to 8, wherein the means for determining and determining an optical device for determining an opti chen property of the surface of the membrane ( 4 ) summarizes.

13. Humidity sensor according to one of the preceding claims, in which the device for determining and determining has the following features:
a first temperature sensor for determining the temperature of the membrane ( 4 ) at the time of a change in the precipitation on the membrane ( 4 );
a second temperature sensor for determining an ambient temperature; and
a device for determining the moisture from the temperature of the membrane ( 4 ) and the ambient temperature.

14. Moisture sensor according to one of the preceding claims, in which the carrier device ( 2 ) is surrounded by a heat insulation device which has an opening in the region of the membrane ( 4 ).

15. A method for repetitively detecting a humidity with the following steps:
continuous cooling of a membrane ( 4 ) and a carrier device ( 2 ) which supports the membrane ( 4 ) such that a temperature of the carrier device ( 2 ) is below a dew point of the surrounding air;
Heating the membrane ( 4 ) to a temperature above the dew point;
in the heating step, determining a first temperature at which a change in a precipitation state occurs on the membrane ( 4 );
Determining an ambient temperature; and
Determine the air humidity from the first temperature and the ambient temperature.

16. The method according to claim 15, wherein the steps zy be repeated cliché.