DE102004018809A1

DE102004018809A1 - Sensoranordnung und Verfahren zur Taupunktmessung auf Basis von miniaturisierten Peltierelementen

Info

Publication number: DE102004018809A1
Application number: DE200410018809
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Ing. Stich; Jürgen Dr.-Ing. Wöllenstein; Harald Dr. Böttner; Marie-Luise Dipl.-Ing. Bauersfeld
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2024-04-20
Also published as: WO2005100964A1; DE102004018809B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Sensoranordnung zur Taupunktmessung auf der Basis von miniaturisierten Peltierelementen. Ein erfindungsgemäßer Taupunktsensor weist ein Peltierelement 1, 2, 3, eine Elektrodenstruktur 4, einen Temperaturfühler 6 und ein aktiv heizbares Heizelement 5 auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur 4, der Temperaturfühler 6 und das Heizelement 5 unmittelbar auf dem bzw. unmittelbar an dem Peltierelement 1, 2, 3 angrenzend auf dessen Kaltseite angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensoranordnung sowie auf ein Verfahren zur Taupunktmessung auf Basis von miniaturisierten Peltierelementen.
Sensoranordnungen und Verfahren zur Taupunktmessung bzw. zur Bestimmung des Zeitpunkts einer eintretenden Kondensation von Feuchtigkeit in der Umgebungsluft sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Die bekannten Taupunktsensoren bzw. -nachweisverfahren lassen sich nach ihrem Prinzip in optische Sensoren bzw. Verfahren (Streulichtmessung bzw. Reflektionsmessung), akustische Sensoren bzw. Verfahren und kapazitive Sensoren bzw. Verfahren untergliedern.
Bei den optischen Sensoren (wie z.B. bei Taupunktspiegeln) wird die Kondensatbildung optisch erfasst, wobei entweder das direkt reflektierte Licht gemessen und eine Intensitätsabschwächung bei Kondensation registriert wird oder das durch die Kondensation erzeugte Streulicht gemessen wird. Nachteile der optischen Messverfahren sind die hohen Kosten sowie die hohe Empfindlichkeit der Anordnung gegenüber Verunreinigungen: Mikroskopische Verunreinigungen wie Salze können beispielsweise zu einer Änderung des Wasserdampfdruckes und somit zu Messfehlern führen.
Die akustischen Taupunktsensoren bzw. -nachweisverfahren basieren auf einem ähnlichen Prinzip wie die Taupunktspiegel, nur dass bei diesen Sensoren bzw. Verfahren die Detektion der Kondensation auf der gekühlten Oberfläche durch Surface-Acoustic-Wave-Technology (kurz: SAW) erfolgt. Nachteile dieser Sensoren bzw. Verfahren bestehen in der komplizierten Messtechnik, die für die Auswertung des Messsignals notwendig ist.
Bei den kapazitiven Sensoren bzw. Verfahren wird die Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante im Streufeld eines Kondensators bei der Betauung des Umfeldes ausgewertet. Solche Sensoren bestehen im Wesentlichen aus einem Chip, meist versehen mit einer kammförmig verzahnten Elektrodenstruktur (sogenannter Interdigitalkondensator, kurz: IDK) für die Kapazitätsmessung, einem Temperaturfühler sowie einem Peltierelement zur Kühlung des Chips. Schlägt sich Wasser auf der Sensoroberfläche nieder, verursacht dieses aufgrund seiner großen Dielektrizitätskonstante
eine schlagartige Änderung der Sensorkapazität, da die Dielektrizitätskonstante von Wasser wesentlich größer als die Dielektrizitätskonstante von Luft ist ε Luft / r ≈ 1.
Zur Kühlung der zu betauenden Sensoroberfläche werden bei den Sensorandordnungen nach dem Stand der Technik hauptsächlich Peltierelemente eingesetzt. Dazu werden die sensorisch aktiven Bauelemente (wie z.B. der Sensorchip bzw. die Spiegel) auf den Peltierelementen aufgebracht bzw. befestigt (beispielsweise durch Aufkleben). Durch das Aufbringen eines solchen sensorisch aktiven Bauelementes (beispielsweise des Spiegels bzw. des Sensorchips) ergibt sich eine große thermische Masse der Anordnung, welche zu hohen Zeitkonstanten bei der Kondensatbildung führt. Das Verdunsten der Feuchtigkeit von der Sensoroberfläche geschieht in der Regel durch Abschalten oder Aufheizen des Peltierelementes. Daher ergibt sich für die Taupunktmessgeräte bzw. Anordnungen nach dem Stand der Technik auch eine hohe Zeitkonstante für die Verflüchtigung der Oberflächenfeuchtigkeit. Insgesamt ergibt sich somit für die Taupunktmessgeräte nach dem Stand der Technik eine hohe Zeitkonstante und eine niedrige Messfrequenz.

Ein weiteres Problem bei den Taupunktmessgeräten nach dem Stand der Technik ist die Eisbildung. Besonders bei hohen Feuchtewerten gefriert bei zu schneller Abkühlung die kondensierte Feuchtigkeit und es bildet sich eine dünne Eisschicht (siehe hierzu beispielsweise auch die Patentschrift DE 102 16 895 A1 ). Diese Eisschicht kann aufgrund der geringen Dielektrizitätskonstante ε Eis / r ≈ 3 nur schwer von der umgebenden Luft unterschieden werden bzw. bei der Verwendung von Taupunktspiegeln sind aufwendige Korrekturen notwendig.

Heutzutage verwendete kapazitive Streufeldsensoren bzw. Taupunktmessanordnungen haben darüber hinaus den Nachteil, dass nur eine relativ geringe Kapazität gemessen wird. Hierdurch erhöht sich der messtechnische Aufwand sowie die Anfälligkeit der Apparaturen für Messfehler.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ausgehend vom Stand der Technik, eine Sensoranordnung zur Taupunktmessung und ein entsprechendes Taupunktmessverfahren zur Verfügung zu stellen, welche bzw. welches eine deutlich reduzierte Ansprechzeit bzw. eine deutlich erhöhte Messfrequenz erlaubt. Aufgabe der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und des erfindungsgemäßen Messverfahrens ist darüber hinaus eine Erhöhung der Messempfindlichkeit.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Taupunktsensorelement gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Taupunktbestimmung nach Patentanspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensors sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung werden eine Elektrodenstruktur, ein Temperaturfühler und ein aktiv beheizbares Heizelement direkt auf bzw. unmittelbar angrenzend an ein Peltierelement aufgebracht bzw. angeordnet. Das Aufbringen bzw. die Anordnung geschieht hierbei auf der Kaltseite des Peltierelementes. Besonders geeignet sind miniaturisierte Peltierelemente, welche vorteilhafterweise in Dünnschichttechnik gefertigt sind. Solche sind aus der DE 198 45 104 A1 bekannt.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung hat den Vorteil, dass aufgrund ihrer geringen thermischen Masse und der daraus resultierenden geringen Ansprechzeit (Millisekundenbereich) die Zeitkonstante für die Kondensatbildung erheblich reduziert werden kann. Durch das Aufbringen des aktiv beheizbaren Heizelementes direkt auf die Kaltseite des Peltierelementes kann zudem die Feuchtigkeit auf der Oberfläche sehr schnell verdunstet werden und durch ein erneutes Abkühlen wiederum sehr schnell ein neuer Messzyklus begonnen werden. Aufgrund der reduzierten Ansprechzeit und der verkürzten Verdunstungsperioden wird die maximale Messfrequenz somit deutlich gesteigert. Dies bringt speziell bei Einsätzen in Steuerungs- und Regelvorgängen große Vorteile. Zudem wird durch das direkte Aufbringen der sensorisch aktiven Strukturen (Elektrodenstruktur sowie Temperaturfühler und Heizelement) eine kompaktere Bauform des Sensorelementes erreicht, da kein zusätzlicher Chip für die Elektrodenstruktur mehr notwendig ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelementes wird durch Erzeugung und Verwendung eines möglichst homogenen elektrischen Feldes zur Messung der Dielektrizitätskonstanten die zu messende Kapazität erheblich erhöht. Dies geschieht durch eine geeignete Strukturierung der Elektroden: Um einen möglichst hohen homogenen Anteil des angelegten elektrischen Feldes zu erreichen, liegt der Wert des Verhältnisses der Dicke (in Richtung senkrecht zur Sensoroberfläche) der Interdigitalelektroden zum Abstand der einzelnen Interdigitalelektroden voneinander (in Richtung parallele zur Sensoroberfläche) vorzugsweise im Bereich von 0.5 bis 10 und ist hierbei insbesondere bevorzugt größer als 1.0.

Ein solches Dicken-zu-Abstandsverhältnis kann durch die photolitographische Strukturierung von speziellen Photoresists mit einem sehr hohen Aspektverhältnis oder durch besondere Ätzverfahren erreicht werden.

Aufgrund dieses erfindungsgemäßen Dicken-zu-Abstandsverhältnisses der Interdigitalelektroden sind die elektrisch leitenden Interdigitalelektroden vorteilhafterweise mit einer dünnen elektrisch isolierenden Schicht bedeckt. Hierdurch werden Kurzschlüsse, welche durch Tropfenbildung verursacht werden könnten, verhindert. Diese zur Passivierung verwendete dünne elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise aus Polymeren oder gassensitiven Metalloxiden, insbesondere aus SiO₂ oder Si₃N₄ bestehen.

Das erfindungsgemäße Dicken-zu-Abstandsverhältnis der Interdigitalelektroden hat den Vorteil einer erhöhten Homogenität des zur Messung der Dielektrizitätskonstanten verwendeten elektrischen Feldes, wodurch die zu messende Kapazität sowie die Messempfindlichkeit deutlich erhöht werden. Hierdurch reduziert sich der messtechnische Aufwand sowie die Anfälligkeit für Messfehler.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante werden zur Vermeidung von Messfehlern aufgrund eintretender Eisbildung erfindungsgemäß zwei Elektrodenstrukturen, vorteilhafterweise zwei identische Elektrodenstrukturen, auf die Kaltseite eines Peltierelements aufgebracht, wobei sich unter einer der Elektrodenstrukturen eine zusätzliche thermisch isolierende Schicht befindet. Diese Schicht weist eine geringe spezifische Wärmeleitfähigkeit auf. Unter der anderen Elektrodenstruktur befindet sich keine solche thermisch isolierende Schicht. Durch eine solche Anordnung entsteht während des Abkühlvorgangs zwischen den beiden Elektrodenstrukturen ein Temperaturgra dient, d.h. die Elektrodenstrukturen befinden sich kontinuierlich auf einem unterschiedlichen Temperaturniveau (der benötigte Temperaturgradient kann über die Dicke der thermisch isolierenden Schicht eingestellt werden). Aus diesem Grund findet eine Vereisung zuerst auf der Elektrodenstruktur ohne thermisch isolierende Unterlage statt (Referenzelektrode). Der Eintritt der Vereisung auf der Elektrodenstruktur ohne thermisch isolierende Unterlage kann dann mit entsprechenden Verfahren (beispielsweise resistiv oder optisch) detektiert werden. Bei der beschriebenen Anordnung wird solange abgekühlt, bis auf der Elektrodenstruktur ohne zusätzliche thermisch isolierende Schicht eine Vereisung eintritt. Diese Vereisung bzw. deren Eintrittszeitpunkt wird bestimmt und das solchermaßen bestimmte Messsignal bzw. der Zeitpunkt der Vereisung wird dazu verwendet, den Abkühlprozess des Peltierelementes so zu verlangsamen, dass eine Eisbildung auf der zweiten Elektrode (die im Gegensatz zu der als Referenzelektrode verwendeten Elektrodenstruktur ohne thermisch isolierende Schicht als Messelektrode verwendet wird) verhindert wird.

Vorteil dieser Anordnung ist, wie bereits beschrieben die Vermeidung von Messfehlern aufgrund von eintretender Eisbildung.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Taupunktsensoren bestehen darin, dass ein erfindungsgemäßer Taupunktsensor keine weiteren Bauteile benötigt und speziell bei Verwendung von Dünnschichtpeltierelementen auf Waverbasis produziert werden kann. Aus diesem Grund kann vorteilhafterweise die Ansteuer- und Auswertesteuerelektronik monolithisch integriert werden. Letzteres bewirkt vor allem bei höheren Stückzahlen einen enormen Kostenvorteil.

Erfindungsgemäße Taupunktsensoren können wie in einem der nachfolgenden Beispiele beschrieben ausgeführt sein oder verwendet werden. In den Beispielen werden für dieselben oder sich entsprechenden Bestandteile bzw. Bauteile der Taupunktsensoren identische Bezugszeichen verwendet.

Es zeigt 1 den prinzipiellen erfindungsgemäßen Sensoraufbau.
Es zeigt 2 einen Schnitt durch den Sensoraufbau von 1 zur näheren Erläuterung der Elektrodenstruktur.
Es zeigt 3 einen Schichtaufbau und eine Sensoranordnung zur Vermeidung von Messfehlern aufgrund von Vereisung.
Es zeigt 4 Temperaturverläufe der Anordnung aus 3.
1 erläutert den prinzipiellen Aufbau und die prinzipielle Sensoranordnung eines erfindungsgemäßen Taupunktsensors. In dreidimensionaler Ansicht ist zunächst ein Dünnschichtpeltierelement skizziert. Dieses weist eine Warmseite 3 auf, auf der insgesamt fünf thermoelektrische Schenkel 2a aus Wismuttellurid Bi₂Te₃ und fünf thermoelektrische Schenkel 2b aus Bleitellurid in Form langgestreckter Quader jeweils abwechselnd an ihren Langseiten miteinander in Reihenschaltung verbunden sind. Auf der thermoelektrischen Einheit 2 (welche aus den beiden genannten oder allgemein aus unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien besteht) ist die Kaltseite 1 des Peltierelementes skizziert. Kaltseite 1, thermoelektrische Einheit 2 und Warmseite 3 des Peltierelementes sind jeweils vereinfacht als flache Quader dargestellt. Die Dimension des gezeigten Dünnschichtpeltierelements (Größe der Oberfläche bzw. der Kaltseite 1 in der Ebene senkrecht zur Richtung von Warmseite 3 zu Kaltseite 1) beträgt 0.6 mm × 0.6 mm (generell beträgt die genannte Dimension eines im Rahmen der Erfindung eingesetzten Peltierelementes bevorzugt kleiner 5 mm × 5 mm, bevorzugt kleiner als 1 mm × 1 mm und insbesondere bevorzugt kleiner als 1 μm x 1 μm).
Die Kaltseite 1 des Peltierelementes besteht aus einer Grundstruktur 1d, welche unmittelbar angrenzend an die thermoelektrischen Einheit 2 oberhalb dieser thermoelektrischen Einheit 2 angeordnet ist. Unmittelbar angrenzend an die Grundstruktur 1d ist oberhalb der Grundstruktur 1d eine dünne Isolationsschicht 1a angeordnet. Die Kaltseite weist darüber hinaus eine dünne funktionale Schicht 1b auf, welche unmittelbar angrenzend an die Isolationsschicht 1a oberhalb der Isolationsschicht 1a angeordnet ist. Die funktionale Schicht 1b ist aufgebracht, um die Bekeimung der Sensoroberfläche zu reduzieren, wodurch eine vorzeitige Kondensatbildung und eine daraus resultierende Verfälschung des Messergebnisses unterdrückt wird. Die Isolationsschicht 1a weist hier eine Dicke von 100 nm auf und besteht aus SiO₂. Sie kann auch aus Si₃N₄ bestehen. Generell ist die Isolationsschicht 1a bevorzugt mindestens 10 nm und höchstens 2 μm, insbesondere bevorzugt 50 bis 300 nm dick. Unter dem Begriff Dicke wird hier wie im folgenden sofern nichts anderes gesagt die Ausdehnung in Richtung senkrecht zur Oberfläche der Kaltseite 1 bzw. in Richtung von der Warmseite 3 zur Kaltseite 1 verstanden. Die funktionale Schicht 1b weist eine Dicke von 100 nm auf. Generell ist diese Schicht bevorzugt mindestens 10 nm und höchstens 2 μm dick, besonders be vorzugt zwischen 50 und 300 nm dick. Die funktionale Schicht 1b besteht aus einem Polymer. Sie kann auch aus SiO₂ oder ganz generell aus hydrophoben und/oder hydrophilen Materialien bestehen oder diese aufweisen. Die Grundstruktur 1d besteht aus Si, kann jedoch auch aus Keramik bestehen. Sie ist 800 μm dick. Ihre Dicke liegt generell bevorzugt zwischen 100 μm und 4 mm, insbesondere zwischen 500 μm und 1000 μm.
Erfindungsgemäß sind eine Elektrodenstruktur 4, ein aktiv beheizbares Heizelement 5 und ein Temperaturfühler 6 unmittelbar angrenzend an bzw. direkt auf der funktionalen Schicht 1b angeordnet. Das im dargestellten Fall U-förmige aktive Heizelement 5 umschließt hierbei die Elektrodenstruktur 4 bzw. die Elektrodenstruktur 4 ist innerhalb des Innenraums des „U" angeordnet. Generell sind für die Elektrodenanordnung 4 jedoch beliebige, je nach Anordnung angepasste Elektrodengeometrien möglich. Rechts neben dem aktiven Heizelement 5 ist an der geöffneten Seite des „U" der Temperaturfühler 6 angeordnet. An den beiden Enden des balkenförmigen Temperaturfühlers 6 sind als Verdickungen die Ansteuerkontakte des Temperaturfühlers 6 zu erkennen. Die beiden Verdickungen an den Enden des U-förmigen aktiven Heizelements 5 sind ebenfalls Ansteuer- bzw. Verbindungskontakte. Die Elektrodenstruktur 4 besteht aus zwei einzelnen kammförmigen Elektroden 4a und 4b. Diese beide Elektroden 4a und 4b sind versetzt zueinander so angeordnet, dass ihre Enden bzw. die „Zinken" der Kammstruktur reißverschlußförmig ineinander greifen. In der Schnittebene A-A senkrecht zur Sensoroberfläche erscheinen somit die einzelnen Enden der kammförmigen Elektroden 4a und 4b jeweils abwechselnd nebeneinander angeordnet. An ihrem dem Temperaturfühler 6 zugewandten Ende weisen die Elektroden 4a und 4b ebenfalls eine Verdickung auf (Ansteuerkontakt).
Im dargestellten Fall bestehen die Elektroden 4a und 4b aus Platin, das aktive Heizelement 5 besteht aus Platin und der Temperaturfühler 6 besteht ebenfalls aus Platin. Die Basis des dargestellten Sensorelements ist das miniaturisierte Peltierelement 1, 2, 3. Da die Grundstruktur 1d der Kaltseite aus einem elektrisch leitenden Material besteht (da das vorliegende Peltierelement in Dünnschicht gefertigt ist), wird zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen die dünne Isolationsschicht 1a aufgebracht. Direkt auf der Isolationsschicht 1a befindet sich die dünne funktionale Schicht 1b, auf der wiederum direkt die Strukturen 4, 5 und 6 aufgebracht sind. Die Elektrodenstrukturen 4 befinden sich somit direkt auf der Kaltseite 1 des Peltierelementes. Das aktive Heizelement 5 und der Temperaturfühler 6 zur Bestimmung der aktuellen Oberflächentemperatur befinden sich ebenfalls direkt auf der Kaltseite 1.
2 als Schnitt in der Ebene A-A durch die in 1 dargestellte Anordnung (Schnittebene senkrecht zur Oberfläche des Sensorelementes) zeigt die Elektrodenstruktur 4 genauer. Zur vereinfachten Darstellung ist in der Schnittdarstellung der 2 der Schnitt durch das aktive Heizelement 5 und durch den Temperaturfühler 6 nicht gezeigt. Zudem sind auch nicht alle angeschnittenen Elektrodenabschnitte der Elektroden 4a und 4b gezeigt. Unmittelbar auf der dünnen funktionalen Schicht 1b sind mehrere nebeneinander angeordnete Elektrodenabschnitte 4 gezeigt. Aufgrund des reißverschlussförmigen Ineinandergreifens der Elektroden 4a und 4b (siehe 1) gehören die gezeigten Elektrodenabschnitte abwechselnd zu der Elektrode 4a und der Elektrode 4b. Die Elektroden bzw. Elektrodenabschnitte sind mit einer dünnen Isolationsschicht 4c versehen. Die Isolationsschicht 4c umgibt die Elektroden bzw. Elektrodenabschnitte mit Ausnahme der unmittelbar an die funktionale Schicht 1b angrenzenden Seite der Elektroden vollständig. Bei der Isolationsschicht 4c handelt es sich im dargestellten Fall um eine polymerbasierte Isolatorschicht. Die Dicke der Elektroden bzw. der Elektrodenstrukturen 4a, 4b in Richtung senkrecht zur Sensoroberfläche ist mit d gekennzeichnet. Der Abstand zweier benachbarter Elektrodenstrukturen 4a und 4b in der Schnittebene A-A ist mit a gekennzeichnet.
Um einen möglichst hohen homogenen Anteil des angelegten elektrischen Feldes zu erreichen, sind im dargestellten Fall die Elektroden so strukturiert, dass diese ein Dicken-zu-Abstandsverhältnis d/a von nahezu 1 oder höher aufweisen. Im vorliegenden Fall beträgt das Verhältnis d/a 4.0. Aufgrund der beschriebenen Elektrodenanordnung wird der Messeffekt vorwiegend durch Änderung des homogenen Feldanteils hervorgerufen und nicht wie bei den bekannten Anordnungen nach dem Stand der Technik durch Änderung der Streufeldkapazität. Dadurch sind ein größerer Messeffekt und genauere Messergebnisse möglich. Aufgrund des ver gleichsweise geringen Abstandes a sind zur Vermeidung von Kurzschlüssen infolge zu großer Wassertropfen die Elektroden 4 mit der dünnen elektrisch isolierenden Schicht 4c versehen. Bei der in den 1 und 2 gezeigten Anordnung ist der Zeitpunkt der eintretenden Kondensation der Feuchtigkeit in der Umgebungsluft anhand einer Kapazitätsänderung der auf der Sensoroberfläche bzw. Kaltseite 1 des Peltierelementes aufgebrachten Elektroden 4a und 4b ermittelbar. Alternativ hierzu kann dieser Zeitpunkt auch anhand einer Widerstandsänderung der Elektroden 4a und 4b ermittelt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Ermittlung des Zeitpunkts durch optische Verfahren, welche auf der Sensoroberfläche angewendet werden (beispielsweise Messung von reflektiertem Licht oder von Streulicht). Mit dem aktiven Heizelement 5 wird die Sensoroberfläche beheizt, um auf der Oberfläche kondensierte Feuchtigkeit wieder zu verdunsten. Das Heizelement 5 ist hierbei unabhängig vom Peltierelement 1, 2, 3 ansteuerbar und betreibbar.
3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Sensoranordnung, welche der Vermeidung von Messfehlern aufgrund von Vereisung dient. Die gezeigte Anordnung ist grundsätzlich bis auf eine zweite Aktivstruktur (bestehend aus Elektrodenstruktur, Heizelement und Temperaturfühler) sowie eine zusätzliche thermisch isolierende Schicht identisch mit der in 1 und 2 gezeigten Anordnung. Die zusätzliche thermisch isolierende Schicht 1c ist auf einer Hälfte der Oberfläche des Peltierelementes bzw. dessen Kaltseite 1 zwischen der elektrisch isolierenden Schicht 1a und der funktionalen Schicht 1b und unmittelbar angrenzend an diese beiden Schichten angeordnet. In der in 3 rechts dargestellten Hälfte des Peltierelementes weist dessen Kaltseite somit einen vierlagigen Aufbau aus Grundstruktur 1d, darauf angeordneter elektrisch isolierender Schicht 1a, darauf angeordneter thermisch isolierender Schicht 1c und darauf angeordneter Funktionalschicht 1b auf. In der in 3 links dargestellten Hälfte weist die Kaltseite 1 des Peltierelementes demgegenüber einen dreilagigen Schichtaufbau bestehend aus Grundstruktur 1d, elektrisch isolierender Schicht 1a und funktionaler Schicht 1b auf (wie in der in den 1 und 2 dargestellten Sensoranordnung). Die in der rechten Hälfte der dargestellten Sensoranordnung zwischen elektrisch isolierender Schicht 1a und funktionaler Schicht 1b eingebrachte thermische Isolationsschicht 1c weist eine an den benötigten Temperaturgradient angepasste Dicke (in Richtung senkrecht zur Sensoroberfläche) auf. Generell ist die thermische Isolationsschicht 1c somit so auszugestalten, dass der benötigte Temperaturgradient über ihre Schichtdicke eingestellt wird.
Der die Isolationsschicht 1c aufweisende Teil bzw. Abschnitt der Sensoranordnung bzw. der Kaltseite 1 wird im Folgenden auch mit dem Bezugszeichen 1B gekennzeichnet, der die thermisch isolierende Schicht nicht aufweisende Teil bzw. Abschnitt des Sensors bzw. die entsprechende Hälfte der Kaltseite 1 wird im Folgenden auch mit dem Bezugszeichen 1A gekennzeichnet. Im Teilbereich 1A bzw. im Nicht-Isolationsbereich ist wie bereits in den 1 und 2 ge zeigt oberhalb der funktionalen Schicht 1b und unmittelbar an diese angrenzend eine erste Aktivstruktur bestehend aus erster Elektrodenstruktur 4 (mit zwei Elektroden 4a und 4b), erstem aktiven Heizelement 5 und erstem Temperaturfühler 6 angeordnet. Unmittelbar oberhalb der funktionalen Schicht 1b des Teilbereichs 1B bzw. des Isolationsbereichs ist eine zweite Aktivstruktur bestehend aus zweiter Elektrodenstruktur 4', zweitem aktiven Heizelement 5' und zweitem Temperaturfühler 6' unmittelbar angrenzend an die funktionale Schicht 1b angeordnet. Die beiden Aktivstrukturen 4, 5, 6 und 4', 5', 6' entsprechen in ihrem Aufbau und in ihrer Anordnung bzw. in ihrer Geometrie den entsprechenden in den 1 und 2 gezeigten Elementen. Die Elektrodenstruktur 4 des Teilbereichs 1A dient als Referenzelektrodenstruktur. Die Elektrodenstruktur 4' des Teilbereichs 1B dient als Messelektrodenstruktur. Die zusätzliche thermisch isolierende Schicht 1c befindet sich somit im Schichtaufbau unterhalb der zweiten Elektrodenstruktur 4' bzw. der Messelektrodenstruktur 4'.
Wird das dargestellte Sensorelement abgekühlt, so entsteht durch die lediglich im Bereich der Messelektrodenstruktur 4' eingebrachte thermisch isolierende Schicht 1c während des Abkühlvorgangs ein Temperaturgradient zwischen der Messelektrode 4' und der Referenzelektrode 4. Aufgrund dieses Temperaturunterschiedes bzw. dieses Temperaturgradienten findet auf der Referenzelektrode 4 zuerst eine Vereisung statt. Das Eintreten der Eisbildung auf der Referenzelektrode 4 wird mit entsprechenden Verfahren (z.B. mit re sistiven Verfahren) festgestellt und dient als Signal zur Verlangsamung des Abkühlvorgangs.
Wird somit eine Vereisung der Referenzelektrodenstruktur 4 bzw. des Teilbereiches 1A festgestellt, so wird ab diesem Zeitpunkt die weitere Abkühlung des Sensorelementes so verlangsamt, dass eine Vereisung der Messelektrode 4' verhindert wird. Hierbei ist darauf zu achten, dass das Peltierelement 1, 2, 3 nicht im Impulsbetrieb betrieben wird. Vorteilhafterweise wird das Peltierelement 1, 2, 3 während des Abkühlvorgangs mit einem rampenförmigen Strom betrieben, wie er in 4 (siehe nachfolgend) dargestellt ist. Aufgrund der beim rampenförmigen Strom erfolgenden stetigen Abkühlung der Sensorstrukturen erfolgt kein Temperaturausgleich zwischen der Messelektrode 4' und der Referenzelektrode 4, wodurch der Temperaturgradient aufrechterhalten bleibt.
4 zeigt einen Temperaturverlauf über die Zeit bei der in 3 dargestellten Sensoranordnung mit Messelektrode und Referenzelektrode. Hierbei ist der Zeitverlauf während des bzw. über den Abkühlvorgang dargestellt. Die dargestellten Diagramme zeigen auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Temperatur des Peltierelementes P (4A) bzw. der Messelektrode M sowie der Referenzelektrode R ( 4B) in Kelvin (T[K]). Die Elektroden M und R bzw. das Peltierelement P werden durch einen rampenförmigen Strom (Kühlleistung beim Peltierelement proportional zum Strom) soweit abgekühlt, bis zum Zeitpunkt t₀ auf der Referenzelektrode R eine Vereisung (Eispunkt) stattfindet. Die Temperatur T des Eispunktes ist im Diagramm der 4B durch E_p gekennzeichnet. Ab dem Zeitpunkt t₀ wird die Abkühlung des Peltierelementes bzw. der Elektroden verlangsamt (sichtbar an der geringeren Steigung der Temperaturverlaufskurven im Zeitbereich t > t₀ im Vergleich zum Zeitbereich t < t₀). Ab dem Zeitpunkt t₀ verläuft die Abkühlung somit langsamer, bis schließlich auf der Messelektrode M die gewünschte Betauung eintritt (Zeitpunkt t₁) und somit über die Temperatur T_p der Messelektrode M zu diesem Zeitpunkt t₁ der Taupunkt ermittelt werden kann. Eine mögliche Betriebsart dieses Verfahrens wird im Folgenden kurz beschrieben: Der Messzyklus beginnt mit einer Kühlphase des miniaturisierten Peltierelementes 1, 2, 3. Aufgrund der Abkühlung erfolgt zuerst (besonders bei hohen Feuchtewerten) eine Eisbildung auf der Referenzelektrode 4. Der Abkühlvorgang wird danach soweit verlangsamt weiter fortgeführt, bis bei der Messelektrode 4' eine Betauung eintritt (Zeitpunkt t₁). Dieser Betauungsvorgang wird im dargestellten Fall über den Kapazitätsanstieg der Messelektrode 4' festgestellt. Zu diesem Zeitpunkt t₁ wird mit Hilfe des Temperaturfühlers 6' der Taupunkt T_p bzw. die am Taupunkt vorliegende Temperatur T_p bestimmt. Nachdem der Taupunkt T_p bestimmt wurde, wird das Peltierelement sofort ausgeschaltet und die Oberflächenfeuchtigkeit mittels aktiviertem Heizelement 5' verdunstet sowie die Eisschicht mittels aktiviertem Heizelement 5 abgetaut und ebenfalls verdunstet. Anschließend beginnt der beschriebene Messzyklus erneut.

Claims

Taupunktsensorelement zur Taupunktbestimmung mit einem Peltierelement mit einer Kaltseite (1) und einer dieser Kaltseite (1) gegenüberliegenden Warmseite (3), einer Elektrodenstruktur (4) zur Bestimmung des Eintrittszeitpunktes einer Feuchtigkeitskondensation, einem Temperaturfühler (6) zur Messung der Temperatur zum Eintrittszeitpunkt der Feuchtigkeitskondensation und einem aktiv heizbaren Heizelement (5) zur Verdunstung von Kondensat nach der Bestimmung des Eintrittszeitpunktes der Feuchtigkeitskondensation dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur (4), der Temperaturfühler (6) und das Heizelement (5) unmittelbar an die Kaltseite des Peltierelements angrenzend angeordnet sind.
Taupunktsensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltseite (1) des Peltierelements einen elektrischen Isolationsbereich (1a) aufweist, an den die Elektrodenstruktur (4), der Temperaturfühler (6) und das Heizelement (5) unmittelbar angrenzend angeordnet sind.
Taupunktsensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltseite (1) des Peltierelements einen funktionalen Bereich (1b) aufweist, an den die Elektrodenstruktur (4), der Temperaturfühler (6) und das Heizelement (5) unmittelbar angrenzend angeordnet sind.
Taupunktsensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltseite (1) des Peltierelements einen elektrischen Isolationsbereich (1a) aufweist, wobei von der Warmseite (3) aus gesehen in Richtung der Kaltseite (1) des Peltierelements in der nachfolgend genannten Reihenfolge unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind: der Isolationsbereich (1a), an diesem angrenzend der funktionale Bereich (1b) und an diesem angrenzend die Elektrodenstruktur (4), der Temperaturfühler (6) und das Heizelement (5).
Taupunktsensorelement nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsbereich (1a) eine Isolationsschicht aufweist, wobei die Isolationsschicht bevorzugt Al₂O₃, SiO₂ und/oder Si₃N₄ enthält oder daraus besteht und/oder wobei die Isolationsschicht in Richtung von der Warmseite (3) zur Kaltseite (1) des Peltierelements bzw. senkrecht zur Oberfläche des Peltierelements bevorzugt eine Dicke von über 5 nm und/oder unter 5 μm, insbesondere bevorzugt von über 50 nm und/oder unter 300 nm aufweist.
Taupunktsensorelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionale Bereich (1b) eine funktionale Schicht aufweist, wobei die funktionale Schicht bevorzugt hydrophobe und/oder hydrophile Materialien und/oder ein Polymer und/oder SiO₂ enthält oder daraus besteht und/oder wobei die funktionale Schicht in Richtung von der Warmseite (3) zur Kaltseite (1) des Peltierelementes bzw. senkrecht zur Oberfläche des Peltierelements bevorzugt eine Dicke von über 5 nm und/oder unter 5 μm, insbesondere bevorzugt von über 50 nm und/oder unter 300 nm aufweist.
Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement ein miniaturisiertes Peltierelement mit einer bevorzugten Baugröße (Oberflächenausdehnung) von kleiner als 10 mm × 10 mm, insbesondere kleiner als 5 mm × 5 mm, insbesondere kleiner als 1 mm × 1 mm und mit geringer thermischer Masse ist, welches bevorzugt in Dünnschichttechnologie gefertigt ist.
Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur (4) eine Anordnung, Geometrie und/oder Oberflächengestaltung so aufweist, dass ein mit ihr erzeugbares elektrisches Feld über einen zur Bestimmung des Eintrittszeitpunktes der Feuchtigkeitskondensation verwendeten Messbereich eine Homogenität bzw. eine maximale Schwankungsbreite von ± 10 %, bevorzugt ± 5 %, bevorzugt ± 2 %, bevorzugt ± 1 %, bevorzugt ± 0.5 %, bevorzugt ± 0.1 % aufweist.
Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur (4) mindestens zwei Elektroden (4a, 4b) mit jeweils mindestens einem Elektrodenabschnitt mit einer mittleren Dicke d in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Peltierelements bzw. in Richtung von der Warmseite (3) zur Kaltseite (1) des Peltierelements aufweist, wobei zueinander benachbart angeordnete Elektrodenabschnitte unterschiedlicher Elektroden (4a, 4b) einen mittleren Abstand a voneinander so aufweisen, dass das Verhältnis von mittlerer Elektrodenabschnittdicke zu mittlerem Elektrodenabschnittabstand d/a größer als 0.25, bevorzugt größer als 0.5, bevorzugt größer als 0.75, bevorzugt größer als 1, bevorzugt größer als 1.5, bevorzugt größer als 2, bevorzugt größer als 5, bevorzugt größer als 10 ist.
Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur (4) mindestens zwei m- oder kammförmige, mindestens jeweils zwei kammzinkenartige Enden mit einer mittleren Dicke d in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Peltierelements bzw. in Richtung von der Warmseite (3) zur Kaltseite (1) des Peltierelements aufweisende Elektroden (4a, 4b) aufweist, wobei mindestens zwei der Elektroden (4a, 4b) reißverschlussartig so miteinander verzahnt sind bzw. wobei die Enden von mindestens zwei der Elektroden (4a, 4b) abwechselnd so ineinander greifen, dass das Verhältnis d/a von mittlerer Dicke der Elektrodenenden zu mittlerem Abstand a zweier zueinander benachbarter Elektrodenenden unterschiedlicher Elektroden (4a, 4b) größer als 0.2, bevorzugt größer als 0.5, bevorzugt größer als 0.75, bevorzugt größer als 1, bevorzugt größer als 1.5, bevorzugt größer als 2, bevorzugt größer als 5, bevorzugt größer als 10 ist.
Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der und/oder direkt an die Elektrodenstruktur (4) angrenzend eine elektrische Isolierschicht (4c) angeordnet ist.
Taupunktsensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (4c) Polymere und/oder gassensitive Metalloxide und/oder SiO₂ und/oder Si₃N₄ und/oder Al₂O₃ enthält oder daraus besteht und/oder dass die Isolierschicht (4c) eine Dicke von über 0.5 nm und/oder unter 1000 nm, insbesondere bevorzugt von über 5 nm und/oder unter 200 nm aufweist.
Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (1B) der Kaltseite (1) des Peltierelements einen thermischen Isolationsbereich (1c) aufweist (Isolationsabschnitt), wobei eine weitere, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Elektrodenstruktur (4') in Richtung von der Warmseite (3) zur Kaltseite (1) gesehen über dem bzw. hinter dem thermischen Isolationsbereich (1c) und unmittelbar angrenzend an den den thermischen Isolationsbereich (1c) aufweisenden Abschnitt (1B) der Kaltseite (1) des Peltierelements angeordnet ist und wobei die Elektrodenstruktur (4) unmittelbar angrenzend an einen den thermischen Isolationsbereich (1c) nicht aufweisenden Abschnitt (1A) der Kaltseite (1) des Peltierelements (Nicht-Isolationsabschnitt) angeordnet ist.
Taupunktsensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Temperaturfühler (6') und/oder ein weiteres aktiv beheizbares Heizelement (5') unmittelbar angrenzend an den Isolationsabschnitt (1B) angeordnet ist und dass der Temperaturfühler (6) und/oder das Heizelement (5) unmittelbar angrenzend an den Nicht-Isolationsabschnitt (1A) angeordnet ist.
Taupunktsensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch und nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsabschnitt (1B) der Kaltseite (1) des Peltierelements einen elektrischen Isolationsbereich (1a) aufweist, wobei von der Warmseite (3) aus gesehen in Richtung der Kaltseite (1) des Peltierelements in der nachfolgend genannten Reihenfolge im Isolationsabschnitt (1B) unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind: der elektrische Isolationsbereich (1a), an diesem angrenzend der thermische Isolationsbereich (1c), den diesem angrenzend der funktionale Bereich (1b) und an diesem angrenzend die weitere Elektrodenstruktur (4'), der weitere Temperaturfühler (6') und das weitere Heizelement (5').
Taupunktsensorelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Isolationsbereich (1c) eine thermisch isolierende Schicht aufweist, wobei die thermisch isolierende Schicht ein Material geringer spezifischer Wärmeleitfähigkeit enthält oder daraus besteht und/oder wobei die thermisch isolierende Schicht in Richtung von der Warmseite (3) zur Kaltseite (1) des Peltierelements bzw. senkrecht zur Oberfläche des Peltierelements eine Dicke aufweist, über die ein Temperaturgradient zwischen dem Isolationsabschnitt (1B) und dem Nicht-Isolationsabschnitt (1A) von über 0.1 K, bevorzugt von über 0.5 K, bevorzugt von über 1 K, bevorzugt von über 2 K, bevorzugt von über 5 K, bevorzugt von über 10 K, bevorzugt von über 20 K einstellbar ist und/oder bevorzugt eine Dicke von über 10 nm und/oder unter 1000 μm, insbesondere bevorzugt von über 100 nm und/oder unter 100 μm, insbesondere bevorzugt von über 200 nm und/oder unter 10 μm aufweist.
Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine monolithische Integration einer Ansteuer- und/oder einer Auswerteelektronik.
Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Heizelemente (5, 5') Platin und/oder Nickel und/oder Gold und/oder einen Leistungstransistor enthält oder daraus besteht.
Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektrodenstrukturen (4, 4') Platin und/oder Nickel und/oder Gold und/oder Aluminium enthält oder daraus besteht.
Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Temperaturfühler (6, 6') Platin und/oder Nickel und/oder Gold und/oder einen Thermistor und/oder eine Temperaturdiode enthält oder daraus besteht.
Verfahren zur Taupunktbestimmung, insbesondere zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit, mittels eines Taupunktsensorelements, wobei das Taupunktsensorelement über eine Kaltseite (1) eines Peltierelements gekühlt wird, wobei der Eintrittszeitpunktes einer Feuchtigkeitskondensation mit einer Elektrodenstruktur (4) des Taupunktsensorelements bestimmt wird, wobei die Temperatur des Taupunktsensorelements zum Eintrittszeitpunkt der Feuchtigkeitskondensation mit einem Temperaturfühler (6) gemessen wird, und wobei nach der Bestimmung des Eintrittszeitpunktes der Feuchtigkeitskondensation und der Messung der Temperatur ein aktiv heizbares Heizelement (5) aufgeheizt wird, um auf dem Taupunktsensorelement ausgebildetes Kondensat zu verdunsten dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur (4), der Temperaturfühler (6) und das Heizelement (5) unmittelbar an die Kaltseite (1) des Peltierelements angrenzend angeordnet werden.
Verfahren zur Taupunktbestimmung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Taupunktsensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 20 verwendet wird.
Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Elektrodenstruktur (4) über einen zur Bestimmung des Eintrittszeitpunktes der Feuchtigkeitskondensation verwendeten Messbereich ein elektrisches Feld erzeugt wird, welches eine Homogenität bzw. eine maximale Schwankungsbreite von ± 10 %, bevorzugt ± 5 %, bevorzugt ± 2 %, bevorzugt ± 1 %, bevorzugt ± 0.5 %, bevorzugt ± 0.1 % aufweist.
Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (1B) der Kaltseite (1) des Peltierelements mit einem thermischen Isolationsbereich (1c) versehen wird (Isolationsabschnitt), dass eine weitere Elektrodenstruktur (4') in Richtung von einer Warmseite (3) des Peltierelements zur Kaltseite (1) gesehen über dem bzw. hinter dem thermischen Isolationsbereich (1c) und unmittelbar angrenzend an den den thermischen Isolationsbereich (1c) aufweisenden Abschnitt (1B) der Kaltseite (1) des Peltierelements angeordnet wird und dass die Elektrodenstruktur (4) unmittelbar angrenzend an einen den thermischen Isolationsbereich (1c) nicht aufweisenden Abschnitt (1A) der Kaltseite (1) des Pel tierelements (Nicht-Isolationsabschnitt) angeordnet wird, dass das Taupunktsensorelement über die Kaltseite (1) gekühlt wird, bis im Bereich der Elektrodenstruktur (4) Eisbildung eintritt, dass nach Eintritt der Eisbildung die Abkühlgeschwindigkeit so vermindert wird, dass im Bereich der weiteren Elektrodenstruktur (4') Eisbildung vermieden wird und dass mit Hilfe eines an den Isolationsabschnitt (1B) unmittelbar angrenzend angeordneten Temperaturfühlers (6, 6') zum Eintrittszeitpunkt der Feuchtigkeitskondensation die Temperatur des Isolationsabschnitts (1B) gemessen wird, zur Ermittlung des Taupunkts.
Verfahren zur Taupunktbestimmung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das der Eintritt der Eisbildung mit einem resistiven und/oder einem optischen Verfahren detektiert wird.
Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittszeitpunkt der Feuchtigkeitskondensation in der Umgebungsluft anhand einer Kapazitätsänderung einer der Elektrodenstrukturen (4, 4') bestimmt wird.
Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittszeitpunkt der Feuchtigkeitskondensation in der Umgebungsluft anhand einer Widerstandsänderung einer der Elektrodenstrukturen (4, 4') bestimmt wird.
Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittszeitpunkt der Feuchtigkeitskondensation in der Umgebungsluft mit Hilfe eines auf die Sensoroberfläche angewandten optischen Verfahrens bestimmt wird.
Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektrodenstrukturen (4, 4') durch die photolitographische Strukturierung von Photoresists, welche bevorzugt ein hohes Aspektverhältnis aufweisen und/oder unter Verwendung von Ätzverfahren hergestellt wird.
Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Taupunktsensorelement auf Basis eines Dünnschichtpeltierelements auf Waferbasis hergestellt wird.
Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement während des Abkühlvorgangs mit einem rampenförmigen Strom und/oder nicht im Pulsbetrieb betrieben wird.
Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Heizelemente (5, 5') unabhängig vom Peltierelement angesteuert und betrieben wird.