Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Feuchtesensor und insbesondere
auf einen Feuchtesensor nach dem Taupunktprinzip.The
The present invention relates to a humidity sensor, and more particularly
to a humidity sensor according to the dew point principle.
Feuchtesensoren
nach dem Taupunktprinzip sind neben Psychrometern die präzisesten,
aber auch aufwendigsten und teuersten Geräte zur Messung der Luftfeuchtigkeit.
Bei diesen Sensoren wird eine Oberfläche durch Kühlen bis an den Taupunkt gebracht.
Auf der Oberfläche
bildet sich ein Niederschlag in Form eines Wasserfilms oder von
Wassertropfen (Tau). Die Betauung wird durch verschiedene Verfahren
festgestellt. 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 zwischen nicht isolierten Elektroden an der Oberfläche verändert. Anschließend wird
der Sensor wieder beheizt, bis die Betauung verdampft ist. Auf diese
Art pendelt der Sensor um die Taupunkttemperatur, die zusammen mit
der Umgebungstemperatur ein Maß für die Luftfeuchte
ist. Die Taupunkttemperatur wird dabei durch einen Temperatursensor
an der Oberfläche
zu dem Zeitpunkt gemessen, zu dem die Betauung verschwindet.humidity sensors
according to the dew point principle, psychrometers are the most precise,
but also costly and expensive devices for measuring humidity.
With these sensors, a surface is brought to the dew point by cooling.
On the surface
a precipitate forms in the form of a water film or of
Water drops (dew). The condensation is by different methods
detected. It is exploited that a condensation of the surface optical
Reflection properties of the surface, an electrical capacitance between
isolated electrodes on the surface or an electrical
Resistance between non-insulated electrodes on the surface changed. Subsequently, will
the sensor is heated again until the condensation has evaporated. To this
The sensor oscillates around the dew point temperature, which together with
the ambient temperature is a measure of the humidity
is. The dew point temperature is determined by a temperature sensor
on the surface
measured at the time the condensation disappears.
Dieses
Prinzip hat bei den derzeitigen Realisierungen folgende Nachteile:
- – zum
periodischen Heizen und Kühlen
des Sensors ist eine erhebliche Energie und Zeit notwendig;
- – die
genannten Meßverfahren
werden durch eine Verschmutzung der Oberfläche beeinflußt, die das
Meßergebnis
verfälschen
oder seine Gewinnung verhindern kann;
- – das
optische Meßverfahren
ist aufgrund der benötigten
optischen Einrichtungen aufwendig und teuer;
- – das
kapazitive Meßverfahren
ist relativ ungenau; und
- – das
Widerstandsmeßverfahren
ist u. a. aufgrund seiner offenliegenden Elektroden gegenüber seiner
Umwelt besonders empfindlich.
This principle has the following disadvantages in current implementations: - - Periodic heating and cooling of the sensor requires considerable energy and time;
- - The above measuring methods are affected by contamination of the surface, which can falsify the measurement result or prevent its extraction;
- - The optical measuring method is complicated and expensive due to the required optical devices;
- - The capacitive measuring method is relatively inaccurate; and
- The resistance measuring method is particularly sensitive to its environment, inter alia because of its exposed electrodes.
Taupunktmeßgeräte gemäß dem Stand
der Technik sind aus diesem Grund teuer, langsam und werden hauptsächlich im
Laborbetrieb für
genaue Messungen eingesetzt.Dew point measuring devices according to the state
For this reason, the technology is expensive, slow and mainly used in the
Laboratory operation for
accurate measurements are used.
Die DE 3633015 A1 beschreibt
ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung einer Taupunkttemperatur,
wobei eine einer zu untersuchenden Atmosphäre ausgesetzte Oberfläche eines
Sensors durch eine regelbare Temperiervorrichtung auf eine solche
Temperatur gebracht wird, die zur Bildung eines Taubeschlages auf
der Sensoroberfläche
führt, und
wobei die Temperiervorrichtung auf eine konstante Tauschichtdicke
an der Sensoroberfläche
geregelt wird. Die dabei jeweils durch einen Temperaturfühler festgestellte
Sensortemperatur ist die Taupunkttemperatur. Um kurzfristig auftretende
Veränderungen
bzw. Schwankungen der Taupunkttemperatur erfassen bzw. nachvollziehen
zu können, schlägt die Druckschrift
vor, mittels einer Kühlvorrichtung
mit einer vorgegebenen einstellbaren Kühlleistung mehr Wärme, als
zur Erreichung der Taupunkttemperatur notwendig ist, zu entziehen,
und durch eine zusätzliche
Heizvorrichtung mit einer regelbaren Heizleistung die Sensoroberfläche bis
zur Taupunkttemperatur zu erwärmen.
Zur Erfassung der Tauschichtdicke ist ein kapazitiver Sensor vorgesehen, dessen
Kapazität
von der Tauschichtdicke abhängt.The DE 3633015 A1 describes a method and an arrangement for measuring a dew point temperature, wherein a surface of a sensor exposed to an atmosphere to be examined is brought to a temperature by means of a controllable temperature control device, which leads to the formation of a deafening impact on the sensor surface, and wherein the temperature control device has a constant thickness layer thickness is controlled at the sensor surface. The temperature of each sensor detected by a temperature sensor is the dew point temperature. In order to detect or understand short-term changes or fluctuations in the dew point temperature, the document proposes to extract more heat than is necessary to achieve the dew point temperature by means of a cooling device with a predetermined adjustable cooling capacity, and by an additional heating device with a adjustable heating power to heat the sensor surface up to the dew point temperature. To detect the layer thickness, a capacitive sensor is provided whose capacity depends on the layer thickness.
Die DE 4116322 A1 beschreibt
eine Anordnung zur Messung einer Taupunkttemperatur mit einem Sensor-Chip,
auf dem ein Multikomponentensensor aufgebracht ist, wobei ein Kapazitäts- und Frequenzwandler
innerhalb des Sensor-Chips realisiert ist. Der Multikomponentensensor
umfaßt
einen Streufeldkondensator, einen Temperatursensor und einen ionensensitiven
Feldeffekttransistor. Unter dem Sensor-Chip 1 ist ein Kühlelement
angebracht, während
zum Einsatz der Anordnung als Betauungssensor vorzugsweise ein Heizelement
verwendet wird. Die Taupunkttemperatur wird als die Temperatur des
Multikomponentensensors zu dem Zeitpunkt während eines Abkühlens bestimmt,
zu dem sich die Kapazität
des Streufeldkondensators aufgrund einer Betauung der Sensoroberfläche ändert.The DE 4116322 A1 describes an arrangement for measuring a dew point temperature with a sensor chip on which a multicomponent sensor is applied, wherein a capacitance and frequency converter is realized within the sensor chip. The multicomponent sensor includes a stray field capacitor, a temperature sensor and an ion-sensitive field effect transistor. Under the sensor chip 1 a cooling element is mounted, while for use of the arrangement as a condensation sensor preferably a heating element is used. The dew point temperature is determined as the temperature of the multicomponent sensor at the time during cooling, at which the capacitance of the stray field capacitor changes due to dew of the sensor surface.
Die DE 39 35 610 A1 beschreibt
ein monolithisch integrierbares Peltier-Kühlelement, das eine Mehrzahl
von sternförmig
auf einer Membran angeordneten einzelnen Peltier-Elementen aufweist, die abwechselnd
einen p-Typ und einen n-Typ aufweisen, durch Metallbrücken in
Serie geschaltet sind und so ein einziges Kühl- oder Heizelement bilden.
Es wird insbesondere eine Verwendung dieser Anordnung als Taupunktfühler beschrieben,
wobei im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung mit dem Peltier-Element
lediglich eine einzige Kühl-
bzw. Heiz-Einrichtung vorgesehen ist. Durch die Miniaturisierung
des Peltier-Elements und seine Anordnung unmittelbar auf der Folie
bzw. Membran stellt die Druckschrift eine, allerdings herstellungstechnisch aufwendige,
Alternative zur vorliegenden Erfindung dar und lehrt damit vom Gegenstand
der vorliegenden Erfindung weg, die eine nicht notwendigerweise miniaturisierte
Kühleinrichtung
und ferner eine Einrichtung zum Erwärmen der Membran vorsieht.The DE 39 35 610 A1 describes a monolithically integrable Peltier cooling element having a plurality of star-shaped arranged on a membrane individual Peltier elements having alternately a p-type and an n-type, are connected in series by metal bridges and so a single cooling or heating element form. In particular, a use of this arrangement is described as a dew point sensor, wherein in contrast to the present invention with the Peltier element only a single cooling or heating device is provided. Due to the miniaturization of the Peltier element and its arrangement directly on the film or membrane, the document is an, however, technically complex, alternative to the present invention and thus teaches away from the subject of the present invention, the not necessarily miniaturized cooling device and further Device for heating the membrane provides.
Die DE 4104327 C2 beschreibt
eine Vorrichtung zur Wärmeableitung
in einem Chip mittels einer als Peltier-Element ausgebildeten Kühlstelle,
die in einem zungenförmig
in eine Ausnehmung eines Si-Wafers ragenden Abschnitt einer Schichtstruktur aus
einer Si-Epitaxieschicht, einer Iso lierschicht und einer Metallschicht
ausgebildet ist. Als Beispiel für eine
Integration der Peltier-Kühlstelle
mit einem Sensor auf einem Chip wird ein mikromechanischer Taupunktspiegel
als Feuchtesensor angegeben.The DE 4104327 C2 describes a device for heat dissipation in a chip by means of a cooling element designed as a Peltier element, the lierschicht in a tongue-shaped projecting into a recess of a Si wafer portion of a layer structure of a Si epitaxial layer, an Iso a metal layer is formed. As an example of an integration of the Peltier cooling point with a sensor on a chip, a micromechanical dew point mirror is specified as a moisture sensor.
R.
Jachowicz u.a. beschreiben in "Evaluation of
thin Film Water Behaviour in Silicon Dew Point Sensor", Proc. Of the 13th European Conference on Solid-State Transducers
EUROSENSORS XIII, The Hague, The Netherlands, September 12-15, 1999, Seiten
355 bis 358, ein Verfahren zur Feuchtemessung, bei dem zur Taupunkterfassung
ebenfalls kapazitive oder optische Sensoren verwendet werden.R. Jachowicz et al. Describe in "Evaluation of Thin Film Water Behavior in Silicon Dew Point Sensor", Proc. Of the 13 th European Conference on Solid-State Transducers EUROSENSORS XIII, The Hague, The Netherlands, September 12-15, 1999, pages 355 to 358, a method of moisture measurement in which capacitive or optical sensors are also used for dew point detection.
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen unaufwendigen,
gegenüber
Verschmutzungen unempfindlichen, schnellen und miniaturisierbaren
Feuchtesensor nach dem Taupunktprinzip zu schaffen.A
The object of the present invention is to provide an inexpensive,
across from
Soiling insensitive, fast and 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 kleinem Raum durchführbar ist.A
Another object of the present invention is to insensitive to contamination,
fast method for determining a humidity based on the dew point principle
to create, which is inexpensive and feasible in a small space.
Diese
Aufgaben werden durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren
gemäß Anspruch
11 gelöst.These
Tasks are achieved by a device according to claim 1 and a method
according to claim
11 solved.
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in ihrem einfachen Aufbau,
ihrer Kleinheit bzw. Miniaturisierbarkeit und ihrer Robustheit gegenüber Verschmutzungen.
Insbesondere ist die Wärmekapazität der Membran
viel kleiner als die Wärmekapazität der Trägereinrichtung.
Ein geringer Energieverbrauch folgt insbesondere daraus, daß wechselnde Temperaturen
nur auf der Membran erzeugt werden, die eine sehr geringe Wärmekapazität aufweist,
was ferner eine hohe Meßgeschwindigkeit
zur Folge hat.One
Advantage of the present invention is its simple structure,
their smallness or miniaturization and their robustness against soiling.
In particular, the heat capacity of the membrane
much smaller than the heat capacity of the carrier device.
Low energy consumption follows in particular from the fact that changing temperatures
be produced only on the membrane, which has a very low heat capacity,
which also has a high measuring speed
entails.
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfaßt
die Membran eine Siliziumnitridmembran oder eine Siliziumoxidmembran
oder eine Siliziumcarbidmembran. Die Trägereinrichtung umfaßt vorzugsweise
einen Siliziumchip. Dadurch wird eine Realisierung in herkömmlicher
Siliziumchiptechnologie, eine sehr weitgehende Miniaturisierung,
eine Herstellung mit herkömmlichen
Verfahren der Halbleitertechnologie und eine weitgehende Integration
eines Großteils
der Funktions- und Bauelemente des Feuchtesensors auf einem einzelnen,
kleinen Siliziumchip möglich.According to one
preferred embodiment
of the present invention
the membrane is a silicon nitride membrane or a silicon oxide membrane
or a silicon carbide membrane. The support means preferably comprises
a silicon chip. This will be a realization in conventional
Silicon chip technology, a very extensive miniaturization,
a manufacture with conventional
Process of semiconductor technology and extensive integration
a large part
the functional and structural elements of the humidity sensor on a single,
small silicon chip possible.
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfaßt
die Einrichtung zum Kühlen
der Trägereinrichtung
und der Membran ein Peltier-Element. Sie kann ferner einen Kühlfinger
aufweisen, der über einen
schmalen Luftspalt eine großflächige Wärmeleitverbindung
mit der Membran schafft, um diese räumlich gleichmäßig, d.
h. mit einem flachen räumlichen
Temperaturprofil, zu kühlen.According to one
preferred embodiment
comprises
the device for cooling
the carrier device
and the membrane is a Peltier element. It can also have a cold finger
have over one
narrow air gap a large-area heat conduction connection
with the membrane creates this spatially evenly, d.
H. with a flat spatial
Temperature 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 Leiterstruktur die Form einer
einfachen oder doppelten Spirale oder Schleife aufweist.According to one
preferred embodiment
is also the means for heating the membrane by a
executed on the membrane formed electrical conductor structure. through
a current flowing through the conductor pattern and due to
the ohmic resistance of the same can be heated so the membrane.
Preferably, the conductor structure is designed so that the membrane when heated
flat spatial
Temperature profile has. A change
the precipitation state then finds itself on the whole membrane
same time. A flat temperature profile of the membrane
is achieved, for example, by the conductor structure in the form of a
single or double spiral or loop.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
umfaßt die
Einrichtung zum Bestimmen und Ermitteln einen ersten Temperatursensor
zum Bestimmen der Temperatur der Membran zu dem Zeitpunkt einer Änderung
des Niederschlagszustands auf der Membran, einen zweiten Temperatursensor
zum Bestimmen einer Umgebungstemperatur, und eine Einrichtung zum
Bestimmen der Feuchte aus den beiden von den beiden Temperatursensoren
gemessenen Temperaturen.According to one
embodiment
includes the
Device for determining and determining a first temperature sensor
for determining the temperature of the membrane at the time of a change
the precipitation state on the membrane, a second temperature sensor
for determining an ambient temperature, and means for
Determine the moisture from the two of the two temperature sensors
measured temperatures.
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist der Feuchtesensor ferner von einer wärmeisolierenden
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 vermieden und der Energieaufwand zum Kühlen weiter
verringert.According to one
another embodiment of the
In the present invention, the humidity sensor is further comprised of a heat-insulating
Surrounding device, which is essentially only in the region of the membrane
an opening
having. This will be a cold loss
of the humidity sensor or an energy supply from the environment, except on the
Membrane, substantially avoided and the energy required for cooling on
reduced.
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:preferred
embodiments
The present invention will be described below with reference to FIG
the enclosed drawings closer
described. Show it:
1 eine
schematische Querschnittansicht eines Feuchtesensors gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic cross-sectional view of a humidity sensor according to a preferred embodiment of the present invention;
2 eine
schematische Darstellung einer Aufheizkurve, aus der gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
eine Änderung
eines Niederschlagszustands der Membran bestimmt werden kann; 2 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;
3a, 4a, 5a schematische
Darstellungen von Leiterstrukturen zum Erwärmen der Membran gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung; 3a . 4a . 5a schematic diagrams of conductor structures for heating the membrane according to embodiments of the present invention;
3b, 4b, 5b schematische
Darstellungen von Temperaturprofi len, die beim Verwenden der Leiterstrukturen
aus 3a, 4a bzw. 5a folgen;
und 3b . 4b . 5b schematic representations of Temperaturprofi len, when using the conductor structures from 3a . 4a respectively. 5a consequences; and
6 eine
schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung. 6 a schematic representation of another embodiment of the present invention.
1 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden 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 aufwei sen. Das Peltier-Element 6, 8, 10 ist
an einer Grundplatte 12 so angebracht, daß durch
eine nicht dargestellte Stromquelle ein Stromfluß durch den Metallblock 8,
den Kupferblock 6 und den Metallblock 10 erzeugt
werden kann. Die Membran 4 trägt eine nicht dargestellte Leiterstruktur,
damit die Membran 4 elektrisch erwärmt werden kann. 1 shows a preferred embodiment of the present invention. A silicon chip 2 carries a membrane 4 made of silicon nitride. The silicon chip 2 with the membrane 4 is on a Peltier element 6 . 8th . 10 put on that from a copper block 6 and two metal blocks 8th . 10 exists, the different thermoelectric voltages aufwei sen. The Peltier element 6 . 8th . 10 is on a base plate 12 mounted so that a current flow through the metal block by a power source, not shown 8th , the copper block 6 and the metal block 10 can be generated. The membrane 4 carries a conductor structure, not shown, so that the membrane 4 can be electrically heated.
Zur
Herstellung der dünnen
Membran 4 kann beispielsweise durch ein LPCVD- oder PECVD-Verfahren
eine wenige 100 nm dicke Siliziumnitridschicht auf einem Siliziumsubstrat
abgeschieden werden. Statt einer Siliziumnitridschicht kann auch eine
Siliziumoxid- oder eine Siliziumcarbidschicht verwendet werden.
Die Siliziumnitridschicht (bzw. Siliziumoxid- 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 zurückbleibt.
Die so hergestellte Siliziumnitridmembran 4 zeichnet sich
durch eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit
und große
Robustheit aus, bei einer Dicke von 200 nm widersteht sie beispielsweise
einer Druckdifferenz von 1 bar.For the production of the thin membrane 4 For example, by a LPCVD or PECVD method, a few 100 nm thick silicon nitride layer may be deposited on a silicon substrate. Instead of a silicon nitride layer, it is also possible to use a silicon oxide or a silicon carbide layer. The silicon nitride layer (or silicon oxide or Siliziumcarbidschicht) is provided on its upper side by known methods with said conductor pattern, and a partial surface of the silicon substrate is removed by an etching step window-like, so that in this area only the silicon nitride membrane 4 remains. The silicon nitride membrane thus prepared 4 is characterized by a very low thermal conductivity and high robustness, with 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 Metallblock 8, den Kupferblock 6 und den Metallblock 10 gekühlt. Wenn
die Membran 4 den Taupunkt bzw. die Taupunkttemperatur
bei der gegebenen, zu messenden Luftfeuchtigkeit unterschreitet,
bildet sich auf der Oberfläche
der Membran 4 durch Kondensation des in der umgebenden
Atmosphäre
enthaltenen Wassers ein Niederschlag. Bei einer dünnen Siliziumnitridmembran
ist der Wärmeaustausch
mit der umgebenden Luft über den
Wandwärmeübergang
stärker
als der Wärmeaustausch
mit dem Siliziumchip durch Wärmeleitung in
der Membran. Wird durch ein Peltier-Element der Siliziumchip gekühlt, 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 wirken
zu lassen.The Peltier element 6 . 8th . 10 and the thermally conductive bonded silicon chip 2 is caused by a current flow generated by a power source, not shown, through the metal block 8th , the copper block 6 and the metal block 10 cooled. If the membrane 4 the dew point or the dew point temperature falls below the given, to be measured humidity, forms on the surface of the membrane 4 by condensation of the water contained in the surrounding atmosphere a precipitate. For 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 by heat conduction in the membrane. If the silicon chip is cooled by a Peltier element, then the membrane will only partially follow the temperature reduction. Therefore, it makes sense to let the cooling effect directly on the entire surface via a cold finger, which is separated from the membrane only by a thin air gap.
In 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 getrennt. 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
Temperaturprofil der Membran 4 ein. Dadurch findet die
Bildung eines Niederschlags auf der Oberfläche der Membran 4 während des
Abkühlens
an allen Orten an der Oberfläche
der Membran 4 im wesentlichen zur selben Zeit statt.In 1 shows the copper block 6 a section 14 on, the shape and function of a cold finger for the membrane 4 Has. It reaches from below to the membrane 4 approach and is essentially over the entire surface of the membrane 4 only through a thin air gap from the membrane 4 separated. A cooling of the membrane 4 Therefore, it takes place over its entire surface substantially uniformly, that is, it turns during cooling a substantially over the entire membrane 4 flat running spatial temperature profile of the membrane 4 one. This causes the formation of a precipitate on the surface of the membrane 4 during cooling at all locations on the surface of the membrane 4 essentially at the same time.
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 Leiterstruktur erwärmt, so daß ihre Temperatur wieder ansteigt.
Wenn die Temperatur der Membran 4 den Taupunkt überschreitet, löst sich
der Niederschlag auf der Oberfläche
der Membran 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 Verdampfen 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.Upon reaching a temperature of the membrane 4 below the dew point, ie after the formation of a precipitate, the membrane becomes 4 heated by a current flow through the conductor structure, so that their temperature rises again. When the temperature of the membrane 4 exceeds the dew point, the precipitate dissolves on the surface of the membrane 4 again, ie the condensed water evaporates and passes into the surrounding atmosphere. Upon reaching a temperature above the dew point, ie after evaporation of the precipitate, the flow of current through the conductor structure on the membrane 4 switched off. The membrane 4 is no longer heated by this, but by the action of the Peltier element and the cold finger 14 cooled again and falls below the dew point again.
Der
beschriebene Zyklus des Abkühlens
der Membran 4 unter den Taupunkt und des Erwärmens der
Membran 4 über
den Taupunkt wird beliebig oft wiederholt.The described cycle of cooling the membrane 4 below the dew point and heating the membrane 4 The dew point is repeated as often as you like.
Es
ist eine wichtige Eigenschaft der vorliegenden Erfindung, 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 Membran 4 weist aufgrund ihrer geringen
Dicke eine sehr geringe auf ihre Fläche bezogene Wärmekapazität auf. Da
sie im wesentlichen nur die Leiterstruktur zum elektrischen Erwärmen trägt, die
stark miniaturisierbar ist, können auch
die lateralen Abmessungen der Membran 4 klein gewählt werden.
Aus der Kleinheit und der geringen Wärmekapazität der Membran 4 folgt,
daß zum
Erwärmen
derselben über
die Leiterstruktur nur eine vergleichsweise sehr geringe elektrische
Leistung erforderlich ist. Ferner wird durch das gute Verhältnis zwischen
der Oberfläche
der Membran 4 und ihrer Wärmekapazität eine Bestimmung des Taupunkts
aus der Analyse der Kurvenform der Aufheizkurve möglich, die
bisher nicht bzw. nicht annähernd mit
einer vergleichbaren Genauigkeit möglich war.It is an important feature of the present invention that the cycle of cooling below the dew point and heating above the dew point only from the membrane 4 is going through. The present invention thus differs very significantly from the prior art, in which moisture sensors according to the dew point principle substantially complete a cycle of cooling below the dew point and heating above the dew point. The membrane 4 Because of its small thickness, it has a very small heat capacity related to its area. Since it carries essentially only the conductor structure for electrical heating, which is highly miniaturized, and the lateral dimensions of the membrane 4 be chosen small. From the small size and the low heat capacity of the membrane 4 follows that for heating the same over the conductor structure only a comparatively very low electrical power is required. Furthermore, the good ratio between the surface of the membrane 4 and their heat capacity, a determination of the dew point from the analysis of the waveform of the heating curve possible, which was previously not or not nearly possible with a comparable accuracy.
Die
Membran 4, die Leiterstruktur auf der Membran 4,
die zum Erwärmen
der Membran 4 verwendete elektrische Heizleistung, 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 relativen
räumlichen
Anordnung so ausgelegt, daß die Heizleistung
der Leiterstruktur auf der Membran 4 größer ist als die von der Membran 4 über den
Siliziumchip 2 und den Kühlfinger 14 an das
Peltier-Element 6, 8, 10 abgeführte Wärmeleistung.
Dies ermöglicht
einen kontinuierlichen Betrieb des Peltier-Elements 6, 8, 10 mit
einer konstanten Kühlleistung,
während
die Membran 4 den oben beschriebenen Zyklus des Abkühlens unter
den Taupunkt und des Erwärmens über den ausschließlich aufgrund
eines An- und Ausschaltens der Heizleistung der Leiterstruktur durchläuft.The membrane 4 , the conductor structure on the membrane 4 used to warm the membrane 4 used electric heating power, the Peltier element 6 . 8th . 10 , the cooling power of the Peltier element 6 . 8th . 10 , the cold finger 14 and the air gap between the membrane 4 and the cold finger 14 are designed in terms of their structure, their dimensions and their relative spatial arrangement so that the heat output of the conductor structure on the membrane 4 larger than that of the membrane 4 over the silicon chip 2 and the cold finger 14 to the Peltier element 6 . 8th . 10 dissipated heat output. This allows for continuous operation of the Peltier element 6 . 8th . 10 with a constant cooling capacity, while the membrane 4 the above-described cycle of cooling below the dew point and the heating on the solely on the basis of turning on and off the heating power of the conductor structure.
Vorzugsweise
ist der Siliziumchip zusammen mit der Kühlseite 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, aufweist, um die Membran 4 der
Umgebungsluft auszusetzen. Durch die Wärmeisolation wird ein Kälteverlust
des Peltier-Elements
und des Siliziumchips reduziert und findet im wesentlichen nur noch über Wärmeleitung
zur Membran 4 und über
die Metallblöcke 8, 10 bzw.
daran anschließende
Verbindungskabel zu der durch den Betrieb des Peltier-Elements erwärmten Lötstelle
statt. Die Kühlleistung
des Peltier-Elements
muß somit
im wesentlichen nur die mittlere Heizleistung der Leiterstruktur
auf der Membran 4 und den Kälteverlust 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 is co-located with the cooling side of the Peltier element, ie, the copper block 6 and at these adjacent ends of the metal blocks 8th . 10 , surrounded by a thermal insulation, only in the area of the membrane 4 an opening, for example in the form of a window, around the membrane 4 to expose to the ambient air. Due to the heat insulation, a cold loss of the Peltier element and the silicon chip is reduced and essentially takes place only via heat conduction to the membrane 4 and over the metal blocks 8th . 10 or adjoining connecting cable to the heated by the operation of the Peltier element solder joint instead. The cooling capacity of the Peltier element must therefore essentially only the average heating power of the conductor structure on the membrane 4 and the loss of cold across the membrane 4 to compensate for the environment. Because the membrane 4 can be made very small, the cooling capacity can 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 Heizleistung der Leiterstruktur
auf der Membran 4 als auch aufgrund 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 Kühlleistung erforderlich ist.Overall, the invention enables the realization of a humidity sensor whose operation requires only low power, since both due to the low heat capacity and the small area of the membrane 4 a low heat output of the conductor structure on the membrane 4 as well as due to the low heating power of the conductor structure on the membrane 4 and the low heat loss substantially only over the small area of the membrane 4 a low cooling capacity is required.
Das
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist neben den beschriebenen Elementen
und Merkmalen eine Einrichtung zum Bestimmen einer Änderung
eines Niederschlagszustands auf der Membran 4 und zum Ermitteln
der Feuchte aus der bestimmten Niederschlagszustandsänderung
auf.The embodiment of the present invention includes, in addition to the described elements and features, means for determining a change in a precipitation condition on the membrane 4 and for determining the humidity from the determined precipitation state change.
Die
geringe Wärmekapazität der dünnen Membran 4,
insbesondere das günstige,
d. h. große Verhältnis zwischen
der Oberfläche
der Membran 4 und ihrer Wärmekapazität, ermöglicht bei einem Feuchtesensor
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Bestimmung einer Änderung
des Niederschlagszustands 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 Leiterstruktur.The low heat capacity of the thin membrane 4 , in particular the favorable, ie large ratio between the surface of the membrane 4 and their heat capacity, in a humidity sensor according to the present invention, allows a determination of a change in the state of precipitation on the membrane 4 from an analysis of the waveform of a heating curve. The heating curve is a representation of the time dependence of the temperature of the membrane 4 during heating of the membrane 4 by means of the ladder structure.
Eine
typische Aufheizkurve ist in 2 schematisch
dargestellt. 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
Bereich A der in 2 dargestellten Aufheizkurve
durchlau fen. Die effektive Wärmekapazität der Membran 4 setzt
sich hier zusammen aus der eigentlichen Wärmekapazität der Membran 4 und
der Wärmekapazität des Niederschlags
auf der Membran 4. Die Erhöhung der Temperatur der Membran 4 erfolgt
mit einer bestimmten Rate entsprechend einer bestimmten Steigung
der Aufheizkurve, die im wesentlichen von der Leistung der Leiterstruktur
auf der Membran 4, von dem Wärmeübergang von der Membran 4 auf
den Siliziumchip 2, den Kühlfinger 14 und die
Umgebung, von der eigentlichen Wärmekapazität der Membran 4 und
von der Wärmekapazität des Niederschlags
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 Niederschlag mehr vorhanden ist. Die Rate des Temperaturanstiegs
bzw. die Steigung der Aufheizkurve ist somit nicht mehr von einer
Wärmekapazität eines
Niederschlags abhängig
und entsprechend steiler.A typical heating curve is in 2 shown schematically. A voltage U at a temperature-dependent electrical resistance through which a constant current flows or at another type of temperature sensor provides a measure of the temperature at the location of the temperature sensor on the membrane 4 Starting from a temperature below the dew point is when heating the membrane 4 first an area A of in 2 Run through the heating curve shown. 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 precipitate on the membrane 4 , Increase of temperature of a membrane 4 takes place at a certain rate corresponding to a certain slope of the heating curve, which essentially depends on the power of the conductor structure on the membrane 4 , from the heat transfer from the membrane 4 on the silicon chip 2 , the cold finger 14 and the environment, from the actual heat capacity of the membrane 4 and the heat capacity of the precipitate on the membrane 4 , ie the specific heat capacity and the thickness of the precipitate, from. Above the dew point, the heating curve goes through a region C. Here is the effective heat capacity of the membrane 4 equal to the actual heat capacity of the membrane 4 , as there is no more rainfall. The rate of temperature rise or the slope of the heating curve is therefore no longer dependent on a heat capacity of a precipitate and 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 Membran 4 zunächst
der Niederschlag auf der Membran 4 verdampft. 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
Niederschlags, d. h. von seiner spezifischen latenten Wärme und
seiner Dicke ab.Between the regions A and C of the heating curve, a plateau in the heating curve can form at the dew point or the dew point temperature. After reaching the dew point, the heat output of the conductor structure on the membrane 4 First, the precipitate on the membrane 4 evaporated. The duration of plateau B of the heating curve depends on the heat output of the lei terstruktur and the heat transfer from the membrane 4 on the silicon chip 2 , the cold finger 14 and the environment above all from the latent heat of the phase transition liquid-gas of the precipitate, ie from its specific latent heat and its thickness.
Eine
Bestimmung einer Änderung
des Niederschlagszustands auf der Membran 4 ist somit bei der
erfindungsgemäßen Verwendung
einer dünnen Membran 4 aus
einer Analyse der Steigung der Aufheizkurve, d. h. der Rate der
Erhöhung
der Temperatur der Membran 4 während des Erwärmens, oder durch
Er fassen der Temperatur eines Plateaus der Aufheizkurve, d. h. der
Temperatur, bei der die Rate der Erhöhung der Temperatur der Membran 4 stark abnimmt
oder im Idealfall verschwindet, möglich. Beide möglichen
Analysen der Aufheizkurve sind durch digitale oder analoge elektronische
Schaltungen realisierbar.A determination of a change in the precipitation state on the membrane 4 is thus in the inventive use of a thin membrane 4 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 taking the temperature of 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, possible. Both possible analyzes of the heating curve can be realized by digital or analog electronic circuits.
Die
Temperatur der Membran 4 kann durch einen beliebigen Temperatursensor
gemessen werden, beispielsweise durch einen an der Membran 4 angebrachten
temperaturabhängigen
Widerstand, ein Thermoelement oder aber einen Sensor, der die Wärmestrahlung
der Membran 4 mißt.
Ein besonders einfacher Aufbau des Feuchtesensors ist möglich, wenn
die Leiterstruktur auf der Membran 4 einen temperaturabhängigen Widerstand
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 Spannung U als Maß für die Temperatur der Membran 4 gemessen.
Diese Konfiguration ist nicht nur in Hinsicht auf eine Vereinfachung
des Aufbaus und der Herstellung des Feuchtesensors und auf eine
Miniaturisierung der Membran 4 vorteilhaft, sondern bietet darüber hinaus
auch eine Temperaturmessung, die einen großflächigen Mittelwert über die
Membran 4 bildet.The temperature of the membrane 4 can be measured by any temperature sensor, for example by one on the membrane 4 attached temperature-dependent resistor, a thermocouple or a sensor, the heat radiation of the membrane 4 measures. A particularly simple construction of the moisture sensor is possible if the conductor structure on the membrane 4 having a temperature-dependent resistance and at the same time for heating the membrane 4 and used to measure its temperature. For this purpose, the conductor structure is heated with a predetermined, constant current and at the same time the voltage U dropping on it as a measure of the temperature of the membrane 4 measured. This configuration is not only in terms of simplifying the construction and manufacture of the humidity sensor and miniaturization of the diaphragm 4 advantageous, but also provides a temperature measurement, a large mean across the membrane 4 forms.
Anstatt
der oben beschriebenen Speisung der Leiterstruktur auf der Membran 4 mit
einem konstanten Strom und der Messung der aufgrund des Stroms an
der Leiterstruktur abfallenden Spannung als Maß für die Temperatur kann auch
umgekehrt eine vorbestimmte, konstante Spannung an die Leiterstruktur
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 Wi derständen, auf
der Membran 4 vorteilhaft sein. Die durch eine Aufteilung
der Funktionalitäten
von Heizern und Temperaturmessern auf getrennte Bauelemente mögliche galvanische
Trennung bietet Vorteile bei der elektronischen Auswertung der Signale.Instead of the above-described supply of the conductor structure on the membrane 4 With a constant current and the measurement of the voltage dropping due to the current across the conductor structure as a measure of the temperature, conversely, a predetermined, constant voltage can be applied to the conductor structure and the current flowing as a result of this voltage through the conductor structure as a measure of the temperature membrane 4 be measured. In certain circumstances, however, it is also possible to use a separate or even a plurality of temperature sensors separate from the conductor structure, for example in the form of one or more thermocouples and / or temperature-dependent resistors, on the membrane 4 be beneficial. The possible by separating the functionalities of heaters and temperature meters on separate components galvanic isolation 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 2 dargestellte Aufheizkurve,
jedoch mit umgekehrter Zeitabhängigkeit.
Da eine Kondensation von Luftfeuchtigkeit auf der Membran 4 zur
Bildung eines Niederschlags 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 Verringerung 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, during heating of the membrane 4 is recorded or measured, is also the detection of a "cooling curve" during the cooling of the membrane 4 possible without heating via the conductor structure. This cooling curve depends on the power of the Peltier element 6 . 8th . 10 on the membrane 4 transferred cooling power a similar shape as in 2 shown heating curve, but with reversed time dependence. As a condensation of humidity on the membrane 4 to form a precipitate, however, by thus automatically accompanying local reduction of humidity near the membrane 4 the plateau B is weakened or not, instead only a reduction 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
erfolgt. 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 übertragene
Kühlwirkung
ist. Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit 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.A detection of the cooling curve is also possible if, in addition to the conductor structure, no further temperature sensor on the membrane 4 is present, and the measurement of the temperature of the membrane 4 during heating by measuring the voltage across the current through the conductor pattern. To measure the temperature of the membrane 4 During cooling, in this case, such a small current or voltage is applied to the conductor structure that the resulting heating power is less than the power of the Peltier element 6 . 8th . 10 on the membrane 4 transferred cooling effect is. A further improvement in the accuracy of the moisture measurement with the moisture sensor according to the invention is achieved by a combination of the analyzes of the heating curve and the cooling curve, for example by an averaging of the measured values of the dew point determined from both.
Die
Einrichtung zum Bestimmen einer Änderung
eines Niederschlagszustands auf der Membran und zum Ermitteln der
Feuchte aus der bestimmten Niederschlagszustandsänderung umfaßt neben
den beschriebenen Merkmalen zum Bestimmen einer Änderung eines Niederschlagszustandes
ferner vorzugsweise eine Einrichtung zum Erfassen einer Umgebungstemperatur.
Dies kann ein dem Feuchtesensor zugeordneter Temperatursensor sein,
der so angebracht ist, daß er
die Temperatur 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
getrennt oder durch ein Wärmeschild
von dem Peltier-Element 6, 8, 10 thermisch
entkoppelt angeordnet sein. Alternativ kann die Einrichtung zum
Bestimmen und zum Ermitteln beispielsweise eine Schnittstelle aufweisen, über die sie
eine von einer anderen Vorrichtung gemessene Umgebungstemperatur
in Form eines analogen oder digitalen Signals erhält.The means for determining a change in a precipitation condition on the membrane and for determining the humidity from the determined precipitation condition change further comprises, in addition to the described features for determining a change in a precipitation condition, means for detecting an ambient temperature. This may be a temperature sensor associated with the humidity sensor mounted to measure 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, this can for example be spatially separated from the Peltier element or by a heat shield of the Peltier element 6 . 8th . 10 ther be arranged decoupled mixed. Alternatively, the means for determining and determining may for example have an interface through 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 Ermitteln eine Vorrichtung
zum Ermitteln der Feuchte aus dem bestimmten Taupunkt und der bestimmten
Umgebungstemperatur, beispielsweise mittels des sogenannten Molier-hx-Diagramms.
Diese Vorrichtung kann beispielsweise eine analoge oder digitale
Vorrichtung sein, wie sie von herkömmlichen Feuchtesensoren nach
dem Taupunktprinzip bekannt sind, beispielsweise ein Mikroprozessor.Further
comprises
the device for determining and determining a device
for determining the moisture from the determined dew point and the determined
Ambient temperature, for example by means of the so-called Molier-hx diagram.
This device may, for example, an analog or digital
Device, as is the case with conventional humidity sensors
the dew point principle are known, for example, a microprocessor.
Die
Einrichtung zum Bestimmen und zum Ermitteln steuert oder regelt
ferner vorzugsweise die Kühlleistung
des Peltier-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 Abkühlen
unter den Taupunkt und dem Erwärmen über den
Taupunkt oder einen oder mehrere der erwähnten Parameter, um eine Anpassung
an die Meßaufgabe,
die gewünschte
Wiederholungsrate 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 eingestellt, daß der
während
jedes Zyklusses durchlaufende Temperaturbereich ein kleiner Temperaturbereich
ist, der den Taupunkt umfaßt.
Je kleiner der Temperaturhub während
des Erwärmens
der Membran 4 bzw. während
des Abkühlens
der Membran 4 ist, desto geringer ist der mit seiner Erzeugung
verbundene Energieaufwand und desto häufiger kann der Zyklus durchlaufen
werden, d. h. desto häufiger
kann ein Meßwert
des Taupunkts und in der Folge ein Meßwert der Feuchte bestimmt werden.The means for determining and determining further preferably controls or regulates the cooling performance of the Peltier element 6 . 8th . 10 , the heating power of the conductor structure on the membrane 4 , the duration of heating the membrane 4 and the duration of the above-mentioned cycle of cooling below the dew point and heating above the dew point, or one or more of the mentioned parameters to accommodate the measurement task, the desired measurement repetition rate, the desired accuracy of the measurement, the humidity or humidity present Humidity, air pressure, ambient temperature, etc. In particular, the said parameters are preferably set so that the temperature range passing through during each cycle is a small temperature range encompassing the dew point. The smaller the temperature swing during the heating of the membrane 4 or during the cooling of the membrane 4 is, the lower is the energy expenditure associated with its generation and the more frequently the cycle can be run through, ie the more frequently 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 Taupunkts 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 Orten 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 Aufheizkurve verschmiert. Insbesondere vergrößert sich
beispielsweise der Übergangsbereich
zwischen den Bereichen A und C der in 2 schematisch
gezeigten Aufheizkurve, und anstatt eines Plateaus B ist nur noch
ein Bereich verringerter Steigung zu beobachten.The accuracy of the dew point determination described above depends largely on the spatial temperature profile on the membrane 4 from. For the measurement of the dew point, it is important that the temperature profile on the membrane 4 is flat, especially during heating. Otherwise, when heating the membrane 4 the dew point is not in all places on the membrane 4 reached simultaneously, but the dew point passes through the membrane during heating 4 , As a result, the effect on the temperature-time curve or the heating curve is smeared. In particular, for example, the transitional area between areas A and C of in 2 schematically shown heating curve, and instead of a plateau B, only a region of reduced slope is observed.
Um
ein flaches räumliches
Temperaturprofil auf der Membran 4 zu erhalten, gibt es
neben der oben bereits erwähnten
Gestaltung eines der Membran 4 flächig gegenüberliegenden Kühlfingers 14 die Möglichkeit,
die Leiterstruktur auf der Membran 4 geeignet zu gestalten.
In den 3a, 4a, 5a sind
verschiedene Ausführungsbeispiele
einer Leiterstruktur 20 auf der Membran 4 schematisch
dargestellt. Die 3b, 4b und 5b zeigen
schematisch die entsprechenden Temperaturprofile im Schnitt durch
die Membran 4 entlang der durch die gestrichelte Linie
dargestellten Achse x.To get a flat spatial temperature profile on the membrane 4 To obtain, there is in addition to the above-mentioned design of the membrane 4 flat opposite cold finger 14 the possibility of the conductor structure on the membrane 4 suitable to design. In the 3a . 4a . 5a are different embodiments of a ladder structure 20 on the membrane 4 shown schematically. The 3b . 4b and 5b schematically show the corresponding temperature profiles in section through the membrane 4 along the axis x shown by the dashed line.
In 3a ist
ein auf einer kleinen Teilfläche der
Membran 4 lokalisierter Einzelheizer 20 dargestellt.
Er erzeugt das in 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
Temperaturinhomogenität
der Membran 4. 4a zeigt
einen umlaufenden Ringheizer 22. Wie in 4b zu
sehen ist, ist der Temperaturabfall 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 5a ist eine Leiterstruktur 24 mit
einer zusätzlichen
Schleife gezeigt. In 5b ist zu erkennen, daß das Temperaturprofil
der Membran 4 dadurch auch in einem mittleren Bereich der
Membran 4 flacher wird.In 3a is one on a small part of the membrane 4 isolated single heater 20 shown. He creates that in 3b shown approximately parabolic profile. The temperature drop occurring over a large area to the edge of the membrane 4 out through the silicon chip 2 Chilled, means a pronounced temperature inhomogeneity of the membrane 4 , 4a shows a circulating ring heater 22 , As in 4b can be seen, the temperature drop to the edge of the membrane 4 limited to a much smaller area. However, inside the conductor loop of the ring heater occurs 22 a pronounced minimum. One or more additional loops cause the profile to flatten even more. In 5a is a ladder structure 24 shown with an additional loop. In 5b It can be seen that the temperature profile of the membrane 4 thereby also in a central region of the membrane 4 becomes flatter.
Wie
oben erwähnt,
hängt die
zeitliche Länge des
Plateaus bzw. Absatzes C der Aufheizkurve aus 2 von
der Dicke bzw. der Menge des Niederschlags auf der Membran 4 ab.
Daraus 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 befin det,
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 gehalten, so bildet sich auf der Membran 4 ein
gefrorener Niederschlag. 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 length of time of the plateau or paragraph C depends on the heating curve 2 the thickness or amount of precipitate on the membrane 4 from. This results in another possible mode of operation of the humidity sensor according to the present invention, in which the amount of precipitated moisture is determined from the width of the plateau B of the heating curve. The membrane 4 is cooled for a defined time. From the amount of water, which afterwards on the membrane 4 is determined, ie from the width of the paragraph of the heating curve, the relative humidity is determined. This process can also be extended to ice formation. Will the membrane 4 cooled below 0 ° C and held there for a defined time, so it forms on the membrane 4 a frozen precipitate. During heating, its mass is measured and the moisture is determined from it. Thus, the range of application of the sensor can be extended. In particular, operation at low temperatures is possible. At room temperature, a measurement of air with low relative humidity (below 20%) is possible.
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 "flüssiger 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 Abtauens bzw. Verdampfens eines Niederschlags
bzw. Auflösen
eines Niederschlags umfassen, sondern auch das Gefrieren eines Niederschlags
bzw. das Bilden eines gefrorenen Niederschlags, das Verflüssigen eines
gefrorenen Niederschlags oder das Verdampfen eines gefrorenen Niederschlags
umfassen.A precipitate on the membrane 4 whose change is to be determined by the means for determining and determining comprises Thus, not only the states "dew" or "precipitation present" and "not dewatered" or "no precipitate available", but also the states "liquid precipitate present" and "frozen precipitate present". The means for determining and determining may thus be considered changes in the precipitation state on the membrane 4 include not only the condensation of a precipitate and the defrosting of a precipitate, but also the freezing of a precipitate or the formation of a frozen precipitate, the liquefaction of a frozen precipitate or the Vaporizing 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
beeinflußt
und geändert werden.
Dadurch kann der Einsatzbereich 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
Condensation of a surface
depends on their condition.
Through a change in the
Wettability and the roughness of the surface can target their condensation
affected
and changed.
As a result, the application of the humidity sensor in the sense of
measurable
Humidity, the pressure and the temperature present changed and
be extended if necessary. Furthermore, this also becomes a measurement
of fumes from
substances other than water and 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 Wärmeleitfähigkeit besitzt,
mit einer Dicke von 200 nm oder weniger sehr dünn ausführbar ist, gleichzeitig eine
hohe Robustheit aufweist und einen großen Differenzdruck bzw. eine
große
Differenz zwischen den auf beiden Seiten der Membran 4 herrschenden
Drücken
standhält
und im Rahmen herkömmlicher
Technologien zur Herstellung und Bearbeitung von Halbleitern hergestellt
werden kann. Für
den erfindungsgemäßen Feuchtesensor
sind jedoch alle Arten von Membranen geeignet, die eine geringe
Wärmeleitfähigkeit
aufweisen und möglichst
dünn ausführbar sind.
Beispielsweise kann die Membran 4 auch aus Siliziumkarbid
oder einer sehr dünnen
Kunststoff-Folie hergestellt werden.The membrane described above 4 silicon nitride has advantageous properties for use in the humidity sensor according to the invention, since it has a low thermal conductivity, with a thickness of 200 nm or less very thin executable, at the same time has a high robustness and a large differential pressure or a large difference between the on both sides of the membrane 4 withstanding prevailing pressures and can be produced using conventional semiconductor manufacturing and processing technologies. For the humidity sensor according to the invention, however, all types of membranes are suitable which have a low thermal conductivity and are as thin as possible executable. For example, the membrane 4 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 Wärmekapazität 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 notwendigerweise die Form eines flachen Körpers mit
zwei planparallelen Oberflächen
aufweisen, sondern kann beispielsweise auch gewölbt oder gewellt ausgestaltet
sein, eine Oberfläche
mit Kühlrippen ähnlichen Stegen
oder allgemein nicht planparallele Oberflächen aufweisenFurther
is under a membrane in the context of this invention, each component
to understand that has a low heat capacity and a
size
surface
has, d. h., where the ratio of its betreibaren
surface
and its heat capacity is great. To
must the
Membrane does not necessarily have the shape of a flat body
two plane-parallel surfaces
have, for example, curved or wavy designed
its a surface
with cooling fins similar webs
or generally not have plane-parallel surfaces
Als
Trägereinrichtung
für die
Membran 4 wurde oben ein Siliziumchip 2 beschrieben,
wobei auch der Kupferblock 6 als Bestandteil der Trägereinrichtung
angesehen werden kann. Der Siliziumchip 2 ist vorzugsweise
mit der Membran 4 einstückig
ausgeführt,
wobei zunächst
die Siliziumnitridschicht auf dem Siliziumchip gebildet wird und
dann eine Teilfläche
des Siliziumchips in Form eines Fensters entfernt wird, um die Siliziumnitridschicht
freizulegen und somit die Membran 4 zu bilden, wie es oben
beschrieben wurde. Wesentlich für
die vorliegende Erfindung ist jedoch nur die Verwendung einer Membran 4 mit den
genannten vorteilhaften Eigenschaften. Form, Gestalt und Aufbau
einer Trägereinrichtung
für die Membran 4 sind
nur insofern für
die Erfindung wesentlich, als sie eine nicht zu starke thermische
Kopplung der Membran 4 mit der Trägereinrichtung und ein flaches
räumliches
Temperaturprofil der Membran 4 ermöglichen.As support means for the membrane 4 was a silicon chip on top 2 wherein also the copper block 6 can be considered as part of the support device. The silicon chip 2 is preferably with the membrane 4 carried out in one piece, wherein first the silicon nitride layer is formed on the silicon chip and then a partial surface of the silicon chip is removed in the form of a window to expose the silicon nitride layer and thus the membrane 4 to form as described above. Essential to the present invention, however, is only the use of a membrane 4 with the mentioned advantageous properties. Shape, shape and structure of a support means for the membrane 4 are only so far essential to the invention, as they are not too strong thermal coupling of the membrane 4 with the support means and a flat spatial temperature profile of the membrane 4 enable.
Als
Einrichtung zum Kühlen
der Trägereinrichtung
und der Membran 4 wurde oben ein Peltier-Element 6, 8, 10 beschrieben.
Dieses ist gut bekannt und einfach herstellbar und weist darüber hinaus
den Vorteil auf, elektrisch betrieben zu werden und keine mechanisch
bewegbaren Teile aufzuweisen. Als Einrichtung zum Kühlen kann
jedoch jede Einrichtung verwendet werden, die geeignet ist, die Trägereinrichtung
und die Membran 4 unter den Taupunkt abzukühlen. Dies
kann beispielsweise eine Verbindung zu einem anderweitig bereits
vorhandenen Kältereservoir
sein.As means for cooling the support means and the membrane 4 above was a Peltier element 6 . 8th . 10 described. This is well known and easy to manufacture and also has the advantage of being electrically operated and having no mechanical moving parts. As means for cooling, however, any means may be used which is suitable, the support means and the membrane 4 to cool below the dew point. This can be, for example, a connection to an otherwise existing cold reservoir.
Als
Einrichtung zum Erwärmen
der Membran 4 wurde eine Leiterstruktur auf der Membran 4 beschrieben,
deren elektrischer Widerstand zur ohmschen Heizung der Membran 4 verwendet
wird. Daneben kann jede andere Einrichtung verwendet werden, die
geeignet ist, um die Membran 4 in Überkompensation 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 Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise
mit sichtbarem oder Infrarot-Licht erfolgen. Die Einrichtung 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 dadurch vermittelten Heizleistung.As means for heating the membrane 4 became a ladder structure on the membrane 4 whose electrical resistance to the ohmic heating of the membrane 4 is used. In addition, any other device suitable for the membrane may be used 4 be heated in over-compensation of the cooling capacity of the device for cooling to above the dew point and on and off or their performance can be at least modulated sufficiently. In particular, heating the membrane 4 also by irradiation with electromagnetic radiation, for example, with visible or infrared light. The means for heating for this purpose comprises a light source or an optical device for directing light of an external light source on the membrane 4 and for modulating the heating power communicated thereby.
