DE102005006862A1

DE102005006862A1 - Flächeneffizientes Sensorelement

Info

Publication number: DE102005006862A1
Application number: DE200510006862
Authority: DE
Inventors: Willi Wimmer; Andreas Stemplinger; Hermann Sammer; Josef Stockinger; Franz Straubinger
Original assignee: VOGT ELECT COMPONENTS GmbH; Vogt Electronic Components GmbH
Current assignee: VOGT ELECT COMPONENTS GmbH; Vogt Electronic Components GmbH
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2025-02-16
Also published as: DE102005006862B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement, ein Messsystem und ein Herstellungsverfahren, wobei eine Temperaturkorrektur des Sensorelements durch mindestens zwei kompensierend auf die induktive und/oder kapazitive Komponente des Sensorelements einwirkende Bereiche erreicht wird. Insbesondere ist das Sensorelement als temperaturkorrigierter Regensensor in Fahrzeugen einsetzbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Sensorelemente, die auf einem dielektrischen Substrat aufgebrachte Leiterstrukturen aufweisen, wobei die Leiterstruktur eine induktiv wirkende Komponente und eine kapazitiv wirkende Komponente definiert, die sich beide oder einzeln durch äußere Einflüsse, beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit und dergleichen beeinflussen lassen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Messsystem zum Betreiben eines derartigen Sensorelements sowie ein Verfahren zur Herstellung des Sensorelements.

In vielen Bereichen einschließlich industrieller Anwendungsbereiche, in privaten Haushalten, in der Verkehrstechnik, beispielsweise in Fahrzeugen, Flugzeugen, und dergleichen ist häufig eine zuverlässige Bestimmung einer Messgröße erforderlich, deren Wert dann zur weiteren Auswertung und/oder Steuerung von weiteren Vorgängen benutzt wird. Zu diesem Zwecke werden häufig Sensorelemente verwendet, die so ausgebildet sind, dass sich zumindest eine Eigenschaft reproduzierbar unter dem Einfluss der zu bestimmenden Messgröße verändert, so dass daraus ein Signal in Abhängigkeit der Änderung der Messgröße ableitbar ist, das dann wiederum zur weiteren Verwendung zur Verfügung steht. Eine Messgröße, die es häufig zu bestimmen gilt, um damit weitere Entscheidungen zu treffen und/oder Steuerungsaufgaben vorzunehmen, ist die Feuchtigkeit, die beispielsweise in Form von Wasser, Schnee, Eis, etc. vorliegen kann, wobei neben dem Aggregatzustand insbesondere auch die Menge und deren lokale Verteilung in vielen Anwendungen von Bedeutung ist. Neben vielen weiteren Anwendungszwecken, wie beispielsweise die Feuchtigkeitsbestimmung in Lagerräumen, die an Oberflächen abgeschiedene Menge von Wasser in spezifischen Aggregatszuständen, beispielsweise die Eisbildung auf Straßenoberflächen, Flugzeugflächen und dergleichen, sowie die Erkennung von Regen, Sprühwasser, oder dergleichen für die Steuerung automatischer Fenster und Türen, ist insbesondere die Anwendung von Feuchtigkeitssensoren in Fahrzeugen zur Steuerung der Scheibenwischeranlage von besonderer Bedeutung.

Bei einigen Sensoren, die in Fahrzeugen als Regensensor Verwendung finden, wird die Änderung des optischen Verhaltens eines Teils der Windschutzscheibe auf Grund des Beschlags mit Regen oder Schnee gemessen und das Messergebnis zur Ansteuerung der Scheibenwischeranlage verwendet. Bei anderen Sensortypen, in der gewisse Nachteile der optischen Sensoren vermieden werden, ist eine Leiterstruktur mit induktiver und kapazitiver Komponente vorgesehen, so dass durch die Befeuchtung der Windschutzscheibe eine Änderung im Wesentlichen der kapazitiven Komponente auf Grund des Vorhandenseins des Wassers mit hoher relativer Permittivität beeinflusst wird. Durch die Änderung der kapazitiven Komponente ändert sich somit auch das Frequenzverhalten der gesamten Leiteranordnung, die als ein Schwingkreis betrachtet werden kann, so dass auf Grund der Verschiebung der Resonanzfrequenz ein Maß für die in der Nähe des Sensorelements abgeschiedene Feuchtigkeit ableitbar ist.

So zeigt beispielsweise die Druckschrift DE 10127990 eine Vorrichtung zur Befeuchtungserkennung, die nach dem zuvor beschriebenen Prinzip aufgebaut ist, wobei auch insbesondere Ausführungsformen beschrieben sind, in denen das Sensorelement mit der Leiterstruktur galvanisch von einer entsprechenden Erregerschaltung und Auswerteschaltung entkoppelt ist. Des weiteren wird in dieser Schrift eine Ausführungsform beschrieben, in der ein oder mehrere Leiterstrukturen als Referenzbereiche vorgesehen sind, so dass ggf. Änderungen des Sensorausgangssignals, die nicht durch die Feuchtigkeit hervorgerufen werden, zumindest teilweise kompensiert werden können. Das Vorsehen eines oder mehrerer Referenzsensorelemente kann jedoch zu einem größeren Aufwand hinsichtlich der Erregerschaltung und Auswerteschaltung sowie zu einer geringeren Flexibilität hinsichtlich der von den Sensorelementen eingenommenen Fläche und deren Position auf der Windschutzscheibe führen. Insbesondere zeigt sich, dass in der Windschutzscheibe des Fahrzeugs verwendete Materialien, beispielsweise insbesondere das in der Frontscheibe zwischen den beiden Glasschichten verwendete PVB (Polyvinylbutyral), das ein amorphes Thermoplast, eine relative Dielektrizitätskonstante besitzt, die stark temperaturabhängig ist. D.h., bei ansteigender Temperatur des Bereichs der Frontscheibe, an oder in der das Sensorelement angebracht ist, nimmt die für die kapazitive Komponente wirksame Dielektrizitätskonstante mit zunehmender Temperatur zum Teil stärker zu, als dies für eine Befeuchtung der Frontscheibe der Fall ist. Auf Grund dieser starken Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals des Sensorelements ist es daher vorteilhaft, ein Referenzsensorelement vorzusehen und so auszubilden, dass dieses wenig sensitiv für abgeschiedene Feuchtigkeit ist, aber dennoch die gleiche Temperaturabhängigkeit wie das für die Feuchtigkeit ausgelegte Sensorelement aufweist. Um ferner eine Kopplung beider Sensorelemente möglichst gering zu halten, ist ein gewisser räumlicher Abstand erforderlich, der einerseits zu einer erhöhten Gesamtbaugröße des Sensorelements beiträgt und andererseits ein gewisses Maß an Entkopplung hinsichtlich des Temperaturverhaltens hervorruft, da die lokale Erwärmung des für die Temperatur zuständigen Referenzsensorelements nicht unbedingt mit der momentanen lokalen Temperatur des Feuchtigkeitssensorelements übereinstimmen muss. Beispielsweise kann ein langsam über die Windschutzscheibe wandernder lokal begrenzter Sonnenstrahl zu einer deutlichen Temperaturdifferenz zwischen beiden Sensorbereichen führen, woraus letztlich eine Temperaturkompensation mit reduzierter Zuverlässigkeit und Genauigkeit resultiert.

Auf Grund dieser Sachlage besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Messtechnik mit einem Sensorelement der Eingangs genannten Art bereitzustellen, wobei ein hohes Maß an Temperaturkompensation bei hoher Flexibilität in der Anordnung des Sensorelements erreicht werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in einem Aspekt durch ein Sensorelement gelöst, das ein dielektrisches Substrat und eine an dem Substrat angebrachte Leiterstruktur aufweist, die eine von dem Substrat beeinflusste induktive Komponente und eine kapazitive Komponente besitzt. Das Sensorelement zeichnet sich ferner dadurch aus, dass das Substrat einen ersten temperaturabhängigen Bereich aufweist, der ausgebildet ist, bei sich ändernder Temperatur des ersten Bereichs den Wert der induktiven und/oder kapazitiven Komponente zu ändern, und einen zweiten temperaturabhängigen Bereich aufweist, der ausgebildet ist, bei sich in gleicher Weise ändernder Temperatur des zweiten Bereichs den Wert der induktiven und/oder kapazitiven Komponente kompensierend in Bezug zur Änderung des ersten Bereichs zu ändern.

Auf Grund der Ausbildung mit Bereichen in dem Substrat, die ein gegenläufiges Verhalten zur Beeinflussung der Gesamtkapazität und/oder Gesamtinduktivität und damit des Frequenzverhaltens des Sensorelements ergeben, lässt sich eine effiziente Korrektur des Temperaturverhaltens für das Sensorelement erreichen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform zeichnet sich das Sensorelement ferner dadurch aus, dass das Substrat den ersten temperaturabhängigen Bereich aufweist, der ausgebildet ist, bei zunehmender Temperatur des ersten Bereichs den Wert der induktiven und/oder kapazitiven Komponente zu erhöhen, und den zweiten temperaturabhängigen Bereich aufweist, der ausgebildet ist, bei zunehmender Temperatur des zweiten Bereichs den Wert der induktiven und/oder kapazitiven Komponente zu verringern.

Auf Grund der Ausbildung mit Bereichen in dem Substrat, die ein gegenläufiges thermisches Verhalten in einer Eigenschaft des Substrats zeigen, das die induktive und/oder kapazitive Komponente der Leiterstruktur beeinflusst, kann eine sehr effiziente Temperaturkorrektur des Frequenzverhaltens oder, bei entsprechender Auslegung eine nahezu Kompensation des Temperaturganges erzielt werden. D.h., die durch eine Temperaturänderung in einem ersten Bereich hervorgerufene Änderung der induktiven und/oder kapazitiven Komponente der Leiterstruktur kann zu einem vorgegebenen Maße durch eine entsprechende gegenläufige Änderung der induktiven und/oder kapazitiven Komponente durch eine entsprechende Temperaturänderung in dem anderen Bereich korrigiert oder kompensiert werden. Insbesondere, wenn der erste und der zweite Bereich so zueinander angeordnet sind, dass die Temperatur im ersten und im zweiten Bereich im Wesentlichen identisch sind, kann somit durch geeignete Maßnahmen, d.h. beispielsweise entsprechendes Anpassen der unterschiedlichen Steigungen des Temperaturverhaltens, der Abmessungen der einzelnen Bereiche, und dergleichen, ein Ausgangssignal aus dem Sensorelement gewonnen werden, das im Vergleich zu konventionellen Sensorelementen, eine deutlich geringere Temperaturabhängigkeit aufweist. Insbesondere ermöglicht es die erfindungsgemäße Ausbildung des Sensorelements, den ersten und den zweiten Bereich so nahe aneinander anzuordnen, dass neben einer guten thermischen Ankopplung auch eine galvanische oder eine drahtlose elektromagnetische Ankopplung dieser Bereiche erreicht wird. Hierdurch lässt sich nicht nur eine erhöhte Genauigkeit auf Grund des einheitlicheren thermischen Verhaltens des Sensorelements im Vergleich zu im Wesentlichen entkoppelten Sensorelementen mit Referenzsensoren erreichen, sondern es ergibt sich auch die Möglichkeit, die beiden Bereiche mit entgegengesetzten Temperaturverhalten, beispielsweise bei induktiver Ankopplung an eine Ansteuerelektronik, gleichzeitig mit einer vereinfachten Ankopplungseinrichtung anzusteuern, um damit ein benötigtes Signal mit einer oder mehreren Frequenzkomponenten einzuspeisen, so dass die Anforderungen hinsichtlich der Bandbreite geringer sein können. Des weiteren lässt sich ein wesentlich kompakterer Aufbau erreichen, da zum einen die ansonsten erforderliche möglichst geringe Kopplung zwischen Referenzelementen und Sensorelementen entfallen kann oder wenn ein großer Abstand beibehalten wird, dieser sogar vorteilhaft ausgenutzt werden kann, wenn zusätzlich in speziellen Ausführungsformen beide Bereiche für eine weitere zu messende Eigenschaft, beispielsweise die auf dem Substrat abgeschiedene Feuchtigkeit, empfindlich bleiben. Im Gegensatz dazu ist es bei dem zuvor beschriebenen konventionellen Sensorelement erforderlich, dass das Referenzsensorelement so gestaltet ist, dass es für die interessierende Eigenschaft wenig empfindlich ist. Somit kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine im Vergleich zu konventionellen Vorrichtungen äußerst kompakte Bauweise erreicht werden, wobei dennoch eine hohe Empfindlichkeit für die zu messende Größe, die in einer besonderen Ausführungsform die Befeuchtung ist, erreicht wird, und wobei durch besondere Maßnahmen das von dem erfindungsgemäßen Sensorelement erzeugte Ausgangssignal nur noch gering oder im Wesentlichen gar nicht temperaturabhängig ist, so dass sich auch der Aufwand zur Auswertung des Sensorsignals und der weiteren Verarbeitung, beispielsweise der Ansteuerung einer Scheibenwischeranlage, deutlich vereinfachen lässt. So ist beispielsweise bei dem ertindungsgemäßen Sensorelement, wenn dessen temperaturkorrigiertes oder temperaturkompensiertes Verhalten hinlänglich genau bekannt ist, der Befeuchtungsgrad des Sensorelements in einigen Ausführungsformen lediglich durch das Antwortverhalten des Sensorelements bei einer einzelnen Frequenz bestimmbar, so dass damit bei sehr einfacher Ansteuerung des Sensorelements ein rasches Reagieren, beispielsweise ein rasches Ansteuern der Wischeranlage, erreichbar ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Leiterstruktur im Wesentlichen als planare Anordnung ausgeführt, so dass Abmessungen in lateraler Richtung der Leiterstruktur wesentlich größer sind als eine Abmessung senkrecht zur lateralen Richtung. Auf Grund dieser Ausbildung ist das erfindungsgemäße Sensorelement als eine flache Anordnung vorgesehen, so dass diese sich insbesondere auf exponierte Oberflächen in bestehenden Vorrichtungen und dergleichen anbringen lässt. Insbesondere kann auf Grund dieses planaren Aufbaus das erfindungsgemäße Sensorelement in Glasscheiben, insbesondere in Verbundglasscheiben, integriert werden, ohne dass die Gesamterschei nungsform und die Funktion der Glasscheibe maßgeblich beeinflusst wird. Die Ausführung der Leiterstruktur in einer im Wesentlichen planaren Anordnung ermöglicht auch den Einsatz kostengünstiger Technologien, etwa das lithographische Aufbringen geeignet angeordneter Leiterbahnstrukturen. Daneben können auch andere Verfahren, beispielsweise das Aufbringen leitenden Materials, beispielsweise von Drähten, auf ein geeignetes Trägermaterial mittels Klebung, etc. angewendet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der erste und der zweite Bereich ausgebildet, den Wert der kapazitiven Komponente bei Temperaturänderung stärker zu ändern als den Wert der induktiven Komponente. Diese Ausführungsform erlaubt ein hohes Maß an Kompatibilität mit bestehenden Regensensoren, wie sie eingangs beschrieben sind, die in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Diese Sensoren sind, wie bereits erwähnt ist, so aufgebaut, dass im Wesentlichen die kapazitive Komponente, d.h. die parasitäre Kapazität der Leiterstruktur, auf Grund der großen relativen Permittivität des Wassers beeinflusst wird. Unter Beibehaltung dieses Messprinzips ist es daher sehr effizient, diese kapazitive Komponente in dem ersten und dem zweiten Bereich auch für die Temperaturkorrektur bzw. Kompensation zu verwenden. Um beispielsweise im zweiten Bereich ein „negatives" Temperaturverhalten der parasitären Kapazität der Leiterstruktur zu erreichen, kann beispielsweise ein Material mit einer entsprechenden Temperaturabhängigkeit der Permittivität ausgewählt werden und/oder es kann der Abstand der Leiterbahnen in der Leiterstruktur temperaturabhängig variierbar sein, so dass sich bei zunehmender Temperatur ein größerer Abstand ergibt, der dann zu einer geringeren Kapazität führt. Gleichzeitig kann in dem ersten Bereich ein Material vorgesehen sein, dessen Dielektrizitätskonstante bei zunehmender Temperatur zunimmt, wie dies beispielsweise in typischen Glasscheiben und Verbundglasscheiben von Fahrzeugen der Fall ist.

In einer weiteren Ausführungsform weist der erste Bereich ein erstes Dielektrikum mit positivem Temperaturgang einer relativen Permittivität und der zweite Bereich ein zweites Dielektrikum mit negativem Temperaturgang seiner relativen Permittivität auf.

Somit kann unter Ausnutzung der Beeinflussung der kapazitiven Komponente des Sensorelements eine äußerst effiziente Temperaturkorrektur erfolgen, wobei der erreichbare Grad an Kompensation durch bauliche Maßnahmen, etwa der Wert der Dielektrizitätskonstanten, die Größe des zweiten Bereichs im Vergleich zum ersten Bereich, die geometrische Konfiguration der Leiterstruktur, die sich im ersten Bereich und im zweiten Bereich unterscheiden kann und somit in unterschiedlicher Weise zu dem gesamten kapazitiven Verhalten des Sensorelements beitragen kann, eingestellt werden. Diese Ausführungsform kann daher besonders effizient für Sensorelemente eingesetzt werden, in denen zumindest ein Teil des dielektrischen Substrats in Form einer Glasscheibe insbesondere einer Verbundglasscheibe vorgesehen ist, da hierbei, wie bereits erwähnt ist, die relative Permittivität einen stark positiven Temperaturgang zeigt, der dann mit dem zweiten Bereich durch Einbringen eines Materials mit relativer Permittivität, die bei zunehmender Temperatur abnimmt, korrigiert oder kompensiert werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Bereich so ausgebildet, dass der Wert der induktiven Komponente bei Temperaturerhöhung vermindert wird. Auf Grund dieser Ausbildung lässt sich beispielsweise eine Erhöhung der kapazitiven Komponente, die beispielsweise durch eine Zunahme der relativen Permittivität im ersten und/oder zweiten Bereich bei Temperaturerhöhung hervorgerufen wird, wirksam korrigieren oder kompensieren. Um dieses zu erreichen kann beispielsweise im zweiten Bereich ein das magnetische Verhalten des Sensorelements effizient beeinflussendes Material vorgesehen sein, das das gewünschte Temperaturverhalten aufweist. Hierbei kann ein entsprechendes ferro- oder ferritmagnetisches Material in ein dielektrisches Trägermaterial eingebracht werden, das beispielsweise einen ausreichend großen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, so dass bei entsprechender Temperaturzunahme die wirksame Dichte des ferro- oder ferritmagnetischen Materials und damit die effektive Induktivität des Sensorelements verringert wird, oder es kann das intrinsische Temperaturverhalten der ferro- oder ferrimagnetischen Eigenschaft ausgenutzt werden. Da die Induktivität und die Kapazität in gleicher Weise die Frequenzabhängigkeit der Leiterstruktur definieren, die beispielsweise als ein Schwingkreis betrachtet werden kann, kann somit eine Zunahme der Permittivität in einem Bereich, die z.B. durch die starke Temperaturabhängigkeit des PBVs in einer Verbundglasscheibe hervorgerufen wird, wirksam durch ein entsprechendes Verringern der Induktivität im anderen Bereich kompensiert oder zumindest korrigiert werden. Ferner können auch ferro- oder ferrimagnetische Materialien eingesetzt werden, die an sich ein gewünschtes Temperaturverhalten, beispielsweise ein negatives Tempe raturverhalten, hinsichtlich der relativen Permeabilität zeigen, um damit den entsprechenden Temperaturgang des Dielektrikums im Substrat zu korrigieren oder zu kompensieren.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Substrat im zweiten Bereich ein Material auf, dass einen größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzt als Material im ersten Bereich. Auf diese Weise ist es möglich, weitere Kenngrößen zu beeinflussen, die das Frequenzverhalten des Sensorelements bestimmen. Das Vorsehen der Materialien mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten ermöglicht bei geeignetem Aufbau, der eine relativ spannungsarme Ausdehnung dieser unterschiedlichen Materialien bei Temperaturänderung zulässt, dass z.B. der Abstand benachbarter Leiterabschnitte bei Temperaturzunahme größer werden kann, so dass sich die kapazitive Komponente entsprechend verringern kann. Insbesondere lässt sich diese Wirkung erreichen, wenn das die Leiterbahn umgebende Material eine Dielektrizitätskonstante besitzt, die eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweist und damit einen geringeren Einfluss auf die Kapazität der Leiterstruktur ausübt, als dies durch die Abstandsänderung hervorgerufen wird. Auch lässt sich in Verbindung mit einem geeigneten Ferritmaterial u.U. eine entsprechend intensive „Verringerung" der Dichte des Materials bei Temperaturzunahme erreichen, so dass ein entsprechend großer Einfluss auf die Gesamtinduktivität des Sensorelements ausgeübt wird. Auf diese Weise lässt sich auch bei Dielektrika mit großem positiven Temperaturgang, wie sie beispielsweise in Verbundglasscheiben in Fahrzeugen eingesetzt sind, dennoch eine wirksame Temperaturkompensation erreichen, wobei somit auch eine größere Flexibilität in der Auswahl der Materialien besteht, da nicht notwendigerweise ein Material mit negativem Temperaturverhalten der Dielektrizitätskonstante erforderlich ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind der erste und der zweite Bereich so ausgebildet, dass sich bei gleicher Temperatur des ersten und des zweiten Bereichs innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs Änderungen im des durch die kapazitive und induktive Komponente bestimmten Frequenzverhalten ergeben, die kleiner sind als Änderungen im Frequenzverhalten, die durch eine gewünschte vordefinierte Minimaländerung einer Umwelteigenschaft hervorgerufen werden, so dass das Frequenzverhalten eine zur Messung der Umwelteigenschaft direkt verwendbare Messgröße repräsentiert.

Auf Grund dieser Eigenschaft wird somit eine Temperaturkompensation bereitgestellt, die zu einem Frequenzverhalten des Sensorelements führt, dessen Schwankung für Temperaturen innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs kleiner sind als die gewünschte „Auflösung" bei der Messung der Umwelteigenschaft. D.h., das Frequenzverhalten des Sensorelementes ist somit eine temperaturkompensierte Messgröße, die dann unter sehr geringem Aufwand zur weiteren Steuerung bzw. Verarbeitung weiterverwendet werden kann. Beispielsweise lässt sich mit diesem temperaturkompensierten Verhalten eine sehr präzise Ansteuerung der nachgeordneten Anlage vornehmen, wobei das Sensorelement mit lediglich einer einzelnen Frequenzkomponente beaufschlagt zu werden braucht, um damit eine entsprechende Information über die zu messende Umwelteigenschaft zu erhalten.

In vorteilhaften Ausführungsformen ist die Umwelteigenschaft durch die Befeuchtung repräsentiert. Somit kann in dieser Ausführungsform das Sensorelement vorzugsweise als Feuchtigkeitssensor, insbesondere in Fahrzeugen, eingesetzt werden, wobei dann das Frequenzverhalten, beispielsweise das durch das Einspeisen eines Signals mit definierter Amplitude und Frequenz, gewonnene Ausgangssignal in zuverlässiger Weise zur weiteren Steuerung und Verarbeitung verwendet werden kann. Insbesondere bei induktiver Ankopplung einer Ansteuerschaltung an das Sensorelement ergibt sich auf Grund der Temperaturkompensation ein deutlich geringerer Bauaufwand sowie eine Vereinfachung bei der Auswertung des Messsignals im Vergleich zu entsprechenden konventionellen Messsystemen, die einen Referenzsensor mit entsprechender Ansteuerung und Auswertung erfordern.

Vorteilhafterweise ist das Substrat des Sensorelements transparent. Auf diese Weise lässt sich das erfindungsgemäße Sensorelement in optisch ansprechender Weise in Frontscheiben, Scheinwerfer, Heckscheiben und dergleichen von Fahrzeugen, in Fenster, Glastüren, etc. integrieren, ohne dass die Funktionalität dieser Einrichtungen nennenswert beeinträchtigt wird. In weiteren Ausführungsformen kann vorteilhafterweise auch die Leiterstruktur mittels einem im Wesentlichen transparenten Material aufgebaut sein, so dass sich im Wesentlichen keine Beeinträchtigung der optischen Funktion eines Trägermaterials ergibt. Insbesondere kann in Ausführungsformen mit transparentem Substrat und/oder transparentem Leitermaterial das Sensorelement auch in Glasscheiben, insbesondere in Verbundglasscheiben, integriert werden, ohne die Funktionalität nennenswert zu beeinträchtigen. Dies ist beispielsweise besonders vorteilhaft in Anwendungen, in denen eine Umwelteigenschaft, beispielsweise die Befeuchtung, lokal an einer Position zu bestimmen ist, die in Blickrichtung eines Anwenders liegt. Beispielsweise ist es bei der Verwendung eines Regensensors in Fahrzeugen vorteilhaft, die Sensorfläche in einem Bereich der Windschutzscheibe zu positionieren, der im Wesentlichen dem Gesichtsfeld des Fahrers entspricht, so dass die Ansteuerung des Scheibenwischers entsprechend der Feuchtigkeit genau in diesem Bereich erfolgt. Konventionelle Regensensoren sind typischerweise in peripheren Bereichen der Windschutzscheibe angeordnet, so dass dort auch häufig andere Verhältnisse hinsichtlich der Feuchtigkeit vorherrschen und somit unter Umständen kein korrektes Ansteuern des Scheibenwischers veranlassen. Als ein geeignetes Material für eine im Wesentlichen transparente Leiterstruktur kann beispielsweise ITO (Indiumzinnoxid) verwendet werden, dass aus der Herstellung von LCD-Anzeigen gut bekannt ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Substrat einen Oberflächenbereich auf, der mit der Umgebung in Kontakt und durch Umgebungsfeuchtigkeit benetzbar ist, wobei der Oberflächenbereich so angeordnet ist, sich im ersten und/oder zweiten Bereich einer Vergrößerung des Werts der kapazitiven Komponente bei Benetzung eines Teils des Oberflächenbereichs ergibt. Mit dieser Ausführungsform ist somit sichergestellt, dass das Sensorelement auf Grund der Vergrößerung der kapazitiven Komponente bei Ablagerung von Feuchtigkeit auf zumindest einem Teil des Oberflächenbereichs eine Veränderung des Frequenzverhaltens erfährt, wobei eben auf Grund des unterschiedlichen Temperaturverhaltens des ersten und des zweiten Bereichs ein hohes Maß an Temperaturkorrektur bzw. Temperaturkompensation erreicht wird. Ferner ist durch die Ausbildung und die Anordnung des Oberflächenbereichs sichergestellt, dass eine Bestimmung der niedergeschlagenen Feuchtigkeit ermöglicht wird, ohne dass ein Eindringen der Feuchtigkeit in das Substrat erforderlich ist. Dies ist insbesondere bei Substraten mit Glasanteil vorteilhaft, da das Glas insbesondere für längere Zeit nach der Herstellung im Wesentlichen ein Eindringen von Feuchtigkeit verhindert, so dass durch die räumliche Nähe des Oberflächenbereichs zur Leiteranordnung dennoch eine wirksame und ausreichende elektrische Ankopplung gewährleistet ist. D.h., das erfindungsgemäße Sensor element zeigt eine ausreichende Sensitivität für Feuchtigkeit auf Grund des Oberflächenbereichs selbst wenn das Substrat einen Teil einer Glasscheibe umfasst.

In anderen Ausführungsformen kann hierbei die Glasscheibe als Verbundglasscheibe ausgebildet sein, die als eine Zwischenschicht ein amorphes Thermoplastmaterial aufweist, das zumindest in dem ersten temperaturabhängigen Bereich enthalten ist. Wie bereits dargelegt, werden derartige Verbundglasscheiben als Frontscheiben in Fahrzeugen eingesetzt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Leiterstruktur eine erste Struktur und eine zweite Struktur auf, die voneinander galvanisch entkoppelt sind. Auf diese Weise lässt sich ein hohes Maß an Flexibilität im Gestalten der Leiterstruktur verwirklichen. Beispielsweise können die erste und die zweite Struktur so gestaltet werden, dass sich für die eine Struktur ein hohes Maß an Sensitivität für Temperaturänderungen bei geringer Sensitivität für die zu messende Umwelteigenschaft ergibt, während die andere Struktur sehr wirksam auf eine Änderung der Dielektrizitätskonstante reagiert, um damit beispielsweise sensitiv das Vorhandensein von Feuchtigkeit in der Nähe dieser Leiterstruktur anzuzeigen. Hierbei kann dann durch das Maß an induktiver und/oder kapazitiver Ankopplung der zweiten Struktur an die erste Struktur, zusätzlich oder alternativ zu anderen baulichen Maßnahmen der Grad der Temperaturkompensation eingestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Struktur im Wesentlichen an dem ersten Bereich angebracht und die zweite Struktur ist im Wesentlichen an dem zweiten Bereich angebracht. Auf diese Weise kann das Gesamtverhalten des Sensorelements weiterhin im Hinblick auf das Maß der Temperaturkorrektur oder Kompensation und auf die Sensitivität auf die zu messende Umwelteigenschaft, beispielsweise die Feuchtigkeit, eingestellt werden. Z.B. können beide Leiterstrukturen so gestaltet werden, dass sie in Kombination mit dem entsprechenden Temperaturverhalten des ersten und des zweiten Bereiches eine gewünschte Wirkung erzielen. Wenn beispielsweise kleine laterale Abmessungen der Leiterstruktur ein wichtiger Aspekt sind, so können die erste Struktur und die zweite Struktur so gestaltet sein, dass beide ein hohes Maß an Sensitivität für die zu messende Umwelteigenschaft bieten. Bei Verwendung als Feuchtigkeitssensor ergibt sich damit bei entsprechender Benetzung sowohl in der ersten als auch in der zweiten Struktur eine entsprechende Kapazitätserhöhung, die zu einem entsprechenden Frequenzverhalten führt, das auf Grund der gegenläufigen Temperatureigenschaften des ersten und des zweiten Bereichs kompensiert bzw. korrigiert ist. Auf Grund der galvanischen Entkopplung kann aber das Maß der Kompensation weiterhin durch den Grad der elektromagnetischen Kopplung beider Leiterstrukturen zusätzlich zu weiteren baulichen Maßnahmen so eingestellt werden, um das gewünschte Maß an Temperaturkompensation zu erreichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umschließt die zweite Struktur die erste Struktur. Mit dieser Anordnung ergibt sich eine äußerst flächeneffiziente Raumaufteilung der Leiterstruktur, wobei auch die elektromagnetische Ankopplung der beiden Strukturen zueinander sowie auch zu einer einspeisenden Ansteuerschaltung hoch ist.

In weiteren Ausführungsformen ist die erste Struktur aus einem einzelnen zusammenhängenden ersten Leiter und die zweite Struktur aus einem einzelnen zusammenhängenden zweiten Leiter aufgebaut. Eine entsprechende Anordnung lässt sich in sehr einfacher Weise aufbauen und kann sehr effizient in der Fertigung geprüft werden, indem beispielsweise der ohmsche Widerstand zwischen einem Anfangsbereich und einem Endbereich gemessen wird, so dass sich dadurch Aussagen über mögliche Leiterbahnunterbrechungen sowie die Größe und Materialzusammensetzung der Leiterstruktur treffen lassen.

Vorteilhafterweise weisen sowohl der erste als auch der zweite Leiter jeweils mehrere lateral benachbarte Abschnitte auf. D.h., dieser Aufbau stellt ein relativ hohe „Leiterbahndichte" sicher, so dass die dadurch erzeugten parasitären Kapazitäten einen relativ kleinen Wert aufweisen, der sich bei Benetzung somit deutlich ändert und damit dem Sensorelement eine hohe Empfindlichkeit verleiht.

In einer Ausführungsform ist die Länge des ersten Leiters größer als die Länge des zweiten Leiters. Mit dieser Anordnung in Verbindung mit den zuvor genannten Eigenschaften ergibt sich somit eine relativ große Fläche, die von dem ersten Leiter überdeckt wird, wobei somit auch eine große wirksame Fläche zur Verfügung steht, die auf eine Ände rung der Permittivität auf Grund einer Benetzung mit Feuchtigkeit anspricht. Demgegenüber weist die zweite Struktur auf Grund der geringeren Länge eine kleinere effektive Fläche auf, so dass diese Fläche im Wesentlichen zur Temperaturkompensation verwendet werden kann und damit in einer Weise in Bezug auf den ersten Leiter so angeordnet werden kann, um eine insgesamt günstige Flächenausnutzung zu erreichen.

Gemäß anderer vorteilhafter Weiterbildungen weist die Leiterstruktur einen ersten Abschnitt, der an dem ersten Bereich angebracht ist, und einen zweiten Bereich, der an dem zweiten Bereich angebracht ist, auf, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt galvanisch gekoppelt sind.

Auf Grund dieser Anordnung lässt sich die Leiterstruktur des Systems in Kombination mit dem elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Substrats als eine einzelne Schwingkreisanordnung auffassen, in der beispielsweise die parasitäre Kapazität und/oder die induktive Komponente durch eine sich lokal ändernde Dielektrizitätskonstante und/oder Permeabilität bestimmt sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Bereich in einer ersten Schicht und der zweite Bereich in einer zweiten Schicht als Schichtstapel angeordnet, wobei die Leiterstruktur mit dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich überlappt. Dieser Schichtaufbau des ersten und des zweiten Bereichs und der Leiterstruktur ermöglicht beispielsweise das Einbringen eines Dielektrikums mit einem gewünschten negativen Temperaturverhalten zwischen der Leiterstruktur und einer Dielektrikumsschicht, die ein positives Temperaturverhalten aufweist, so dass durch bauliche Maßnahmen, etwa Schichtdicke, Art des Materials, und dergleichen ein insgesamt erwünschtes temperaturkompensiertes Verhalten der durch die beiden Schichten beeinflussten parasitären Kapazität der Leiterstruktur erreicht werden kann. Ein entsprechender Aufbau ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Sensorelement als integraler Bestandteil einer Verbundglasscheibe dienen soll. Hierbei kann die Leiterstruktur auf einem Dielektrikum mit negativem Temperaturverhalten aufgebracht werden, das dann wiederum auf dem amorphen Thermoplastmaterial aufgebracht wird, bevor die Verbundglasscheibe mittels Druck und Wärme hergestellt wird. Somit kann das unerwünschte Temperaturverhalten des Verbundglases und insbesondere des amorphen Thermoplasts wirksam kompensiert wer den, ohne die mechanischen Eigenschaften des Verbundglases wesentlich zu beeinflussen. Ferner kann auch der Fertigungsprozess der Verbundglasscheibe im Wesentlichen in der konventionellen Weise ausgeführt werden, so dass daher keine erhöhten Fertigungskosten anfallen.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Substrat mehrere erste und/oder mehrere zweite Bereiche auf, die jeweils voneinander durch einen Bereich mit unterschiedlichem Temperaturverhalten getrennt sind. Eine diesbezügliche Anordnung ermöglicht ein höheres Maß an Flexibilität beim Aufbau des erfindungsgemäßen Sensorelements, beispielsweise wenn auf Grund mechanischer Rahmenbedingungen größere zusammenhängende Flächen des ersten und/oder des zweiten Bereichs unerwünscht sind. Beispielsweise kann das Einbringen eines Dielekrikums mit negativem Temperaturverhalten lokal eine geringere mechanische Stabilität einer Verbundglasscheibe zur Folge haben, so dass durch eine entsprechende Verringerung der Fläche und die Aufteilung in mehrere einzelne zweite Bereiche insgesamt die mechanische Stabilität oder das Bruchverhalten auch im Bereich des Sensorelements sicherstellt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein temperaturkorrigiertes Messsystem bereitgestellt, das ein Sensorelement umfasst, das gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen und gemäß den noch in der weiteren Beschreibung dargelegten Ausführungsformen aufgebaut ist. Ferner umfasst das temperaturkorrigierte Messsystem eine mit dem Sensorelement gekoppelte Ansteuereinrichtung, die ausgebildet ist, ein Signal mit mindestens einer Frequenzkomponente in das Sensorelement einzuspeisen. Ferner umfasst das Messsystem eine mit der Ansteuereinrichtung und/oder dem Sensorelement gekoppelte Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, ein dem Sensorzustand entsprechendes Ausgangssignal bereitzustellen.

Mittels dieses erfindungsgemäßen Messsystems lässt sich das Ausgangssignal auf Grund der Beschaffenheit des Sensorelements in einer temperaturkorrigierten Weise erzeugen, wie dies bereits zuvor detaillierter erläutert ist, so dass insbesondere bei der Anordnung des Sensorelements und hier insbesondere bei der relativen Anordnung des ersten und des zweiten Bereichs ein hohes Maß an Flexibilität erreicht wird, wobei der Schaltungsaufwand für die Ansteueranrichtung und/oder die Auswerteeinrichtung gering bleiben kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind das Sensorelement und die Ansteuereinrichtung galvanisch voneinander entkoppelt. Auf Grund dieses Aufbaus ergibt sich ein hoher Freiheitsgrad in der Anordnung der Ansteuereinrichtung einerseits und des Sensorelements andererseits, wobei in besonders vorteilhaften Ausführungsformen auch eine Kopplung des ersten und des zweiten Bereichs zueinander vorgesehen ist. Hierbei können der erste und der zweite Bereich galvanisch voneinander entkoppelt sein, wobei der Abstand zwischen beiden Bereichen in einigen Ausführungsformen so ausgelegt sein kann, dass eine signifikante elektromagnetische Kopplung zwischen beiden Bereichen besteht, oder der Abstand kann so bemessen sein, dass keine nennenswerte Überlagerung der elektromagnetischen Felder auftritt. In dem ersteren Fall können sich gewisse Vorteile hinsichtlich der Ansteuereinrichtung ergeben, da das Sensorelement als ein „einzelner" kombinierter Schwingbereich reagiert, so dass hierbei ggf. eine geringere Bandbreite für die Ansteuereinrichtung zur Erkennung des temperaturabhängigen Frequenzverhaltens ausreichend ist. Im letzten Falle reagieren die beiden nicht nennenswert gekoppelten Bereiche relativ unabhängig voneinander, so dass hier auf Grund der unterschiedlichen Lage der Resonanzfrequenz und des unterschiedlichen Verhaltens bei Temperaturänderung in der Regel eine höhere Bandbreite erforderlich ist. In anderen Fällen kann die Kopplung des ersten und des zweiten Bereiches des Sensorelements auch durch eine galvanische Verbindung der entsprechenden Leiterstrukturen in dem ersten und dem zweiten Bereich erreicht werden.

Vorteilhaftweise ist auch die Auswerteeinrichtung galvanisch von dem Sensorelement entkoppelt. Mit dieser Anordnung, insbesondere in Verbindung mit der galvanisch entkoppelten Ansteuereinrichtung, lässt sich ein hohes Maß an Flexibilität bei der Installation des Messsystems sowie auch des Sensorelements erreichen. Insbesondere können damit vorteilhaft Sensorelemente in Glasscheiben integriert werden, da keine galvanischen Verbindungen zu der Ansteuereinrichtung und der Auswerteeinrichtung erforderlich sind. Des weiteren ergibt sich auch ein hohes Maß an Flexibilität für das Verwenden und Montieren des erfindungsgemäßen Messsystems, da beispielsweise das Sensorelement an beliebigen Komponenten an beliebigen Positionen angebracht werden kann, beispielsweise mittels Klebung, Anhaften, etc., wohingegen die Ansteuereinrichtung und die Auswerteeinrichtung räumlich getrennt an einer geeigneten Stelle vorgesehen werden können, so dass insbesondere das Sensorelement extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden kann, ohne dass es erforderlich ist, die Ansteuereinrichtung und die Auswerteeinrichtung in unmittelbarer Nähe anzubringen. In dieser Form lässt sich das erfindungsgemäße System auch als „mobile" Einheit ausführen, bei der das Sensorelement rasch an einer beliebigen gewünschten Komponente angebracht wird und die Ansteuereinrichtung und die Auswerteinrichtung so ausgebildet sind, dass durch entsprechende Kalibrierroutinen den jeweils unterschiedlichen Bedingungen hinsichtlich des Abstandes, der Umgebung, etc. Rechnung getragen wird. Hierbei weist das Messsystem vorteilhafterweise auch eine Schnittstelle auf, die eine Kommunikation zu peripheren Geräten ermöglicht. Beispielsweise kann die Schnittstelle auch ausgebildet sein, eine drahtlose Kommunikation mit peripheren Geräten zu erlauben, so dass die von dem Messsystem gewonnenen Daten zur weiteren Verarbeitung oder für weitere Steuerungsprozesse durch das externe Gerät ohne aufwendige Verkabelungen verwertet werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Ansteuereinrichtung ausgebildet, das Signal mit mehreren Frequenzkomponenten bereitzustellen, die sequenziell in das Sensorelement eingespeist werden. Mit dieser Anordnung lässt sich sequenziell das Frequenzverhalten des Sensorelements ermitteln, insbesondere während Betriebsphasen, in denen der Betrieb mit einer einzelnen Frequenz ggf. zu Ungenauigkeiten hinsichtlich der Temperaturkompensation führen kann. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, nach der Installation des Messsystems zur Initialisierung eine Ermittlung des Frequenzverhalten innerhalb eines vorgegebenen Bereichs des Sensorelements für eine Vielzahl von Frequenzen zu ermitteln, um damit beispielsweise die Lage einer Resonanzfrequenz und somit auch die Position einer besonders günstigen Frequenz für den eigentlichen Messvorgang zu ermitteln. Durch diese Maßnahme können Fertigungstoleranzen, die beispielsweise beim Herstellen der beiden Bereiche mit unterschiedlichem Temperaturverhalten, bei der Ausbildung der Leiterstruktur, etc. auftreten können, berücksichtigt und kompensiert werden. So kann beispielsweise auf Grund der Lage der Resonanzfrequenz eine entsprechende Frequenz an einer Flanke des ermittelten Kalibriersignals für die weitere Messung ausgewählt werden, so dass sich im eigentlichen Messbetrieb ein Ver fahren mit geringer Bandbreite und geringer Ansprechzeit ergibt, da eine Signalpegeländerung bei der festgelegten Frequenz nunmehr im Wesentlichen auf die Einwirkung einer Umwelteigenschaft und nicht auf Temperatureffekte zurückzuführen ist. Des weiteren kann ein derartiges Kalibrierverfahren bei Bedarf regelmäßig durchgeführt werden, wenn bekannte Bedingungen am Sensorelement vorherrschen oder ein entsprechendes Kalibrierverfahren kann vom Anwender initiiert ausgeführt werden, um damit etwaige systematische Abweichungen im Messsystem zu erkennen und zu kompensieren. Beispielsweise kann in einem Fahrzeug periodisch oder anwenderinitiiert eine Kalibrierung des als Regensensorelements ausgebildeten Sensorelements durchgeführt werden, um damit ein hohes Maß an Genauigkeit zu erreichen. Ferner können entsprechende Kalibierverfahren auch durchgeführt werden, um etwaige geringe Temperatureinflüsse auf das Frequenzverhalten des Sensorelements zu erfassen und zu kompensieren. So ist es beispielsweise denkbar, dass eine Ermittlung des Frequenzverhaltens für generell niedrige Temperaturen im Winter und für höhere Temperaturen im Sommern durchgeführt wird, um damit ggf. einem größeren Gesamttemperaturbereich zu erhalten, in welchem ein im Wesentlichen temperaturkompensiertes Frequenzverhalten des Sensorelements erreicht wird.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Ansteuereinrichtung ausgebildet, das Signal mit mehreren Frequenzkomponenten bereitzustellen, die gleichzeitig in das Sensorelement eingespeist werden. Hierbei kann ein entsprechendes Pulssignal bereitgestellt werden, so dass ein gewünschter Frequenzbereich mit allen in diesem Frequenzbereich enthaltenen Frequenzkomponenten gleichzeitig angesteuert wird. Auf diese Weise lässt sich ein sehr rasches Erkennen des Frequenzverhaltens des Sensorelements erreichen.

Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung hierbei so ausgebildet, das Ausgangssignal des Sensorelements frequenzselektiv auszuwerten. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung eine Einrichtung zur Fouriertransformation des Ausgangssignals aufweisen, so dass sich damit unmittelbar das Frequenzverhalten des Sensorelements bestimmen lässt. Da mittlerweile leistungsfähige Signalprozessoren verfügbar sind, kann die Ansteuereinrichtung trotz des hohen Rechenaufwands für die Fouriertransformation kostengünstig bereitgestellt werden. Insbesondere lässt sich mit einer derartigen Anordnung bei Bedarf der Messablauf so ausführen, dass das Sensorelement stets mit einer Viel zahl von Frequenzkomponenten beaufschlagt wird, so dass sich für jeden einzelnen Messimpuls des eingespeisten Signals die Reaktion des Sensorelements, beispielsweise die Lage der Resonanzfrequenz, sowie weiterer markanter Stellen im Signal ermitteln lassen, um damit eine bessere statistische Signifikanz bei der Auswertung des Signals zu erreichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest die Ansteuereinrichtung in einer Komponente eines Fahrzeuges integriert. Hierbei lässt sich eine besonders optisch ansprechende Gestaltung des Messsystems, wenn dieses als Regensensor für ein Fahrzeug vorgesehen ist, erreichen, da wesentliche Teile des Messsystems für den Anwender nicht sichtbar sind. Beispielsweise kann die Ansteuereinrichtung im Rückspiegel, in der Decke oder in anderen Komponenten des Fahrzeuges integriert sein. Wie zuvor bereits erwähnt ist, sind in einigen vorteilhaften Ausführungsformen die Leiterstruktur sowie der erste und der zweite Bereich aus transparentem Material hergestellt, so dass auch das Sensorelement für den Anwender nicht sichtbar an einer oder mehreren Scheiben des Fahrzeuges vorgesehen werden kann.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines temperaturkorrigierten Sensorelements bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ermitteln des Temperaturverhaltens einer Leiterstruktur mit einer induktiven Komponente und einer kapazitiven Komponente, die an einem Substrat mit einem ersten temperaturabhängigen Bereich und einem zweiten temperaturabhängigen Bereich, die ein zueinander inverses Temperaturverhalten aufweisen, angebracht ist, bei Einspeisung eines Signals mit mehreren Frequenzkomponenten innerhalb eines spezifizierten Frequenzbereichs; Ermitteln eines Zusammenhangs zwischen zumindest einer Kenngröße des ersten und/oder des zweiten Bereichs, die durch bauliche Maßnahmen veränderbar ist, und dem Temperaturverhalten; Festlegen eines Wertes der mindestens einen Kenngröße auf der Grundlage des ermittelten Zusammenhangs derart, dass eine Abhängigkeit des Temperaturverhaltens für einen vorgegebenen Temperaturbereich innerhalb eines Sollbereichs verläuft; und Herstellen des ersten und des zweiten Bereichs eines zweiten Substrats unter Berücksichtigung des festgelegten Kennwerts.

Auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zunächst das Temperaturverhalten einer speziellen Leiterstruktur in Verbindung mit speziellen ersten und zweiten Bereichen ermittelt und eine entsprechende Korrelation mit einer oder mehreren Parameter bzw. Kenngrößen insbesondere des ersten und/oder des zweiten Bereichs erstellt werden, so dass dann auf Grund dieser Korrelation der eigentliche Fertigungsprozess stattfinden kann. D.h., die Kenngröße kann Eigenschaften der in dem ersten und zweiten Bereich verwendeten Materialien, etwa die relative Permittivität, die relative Permeabilität, Schichtdicken der entsprechenden Materialien, die Größe der einzelnen Bereiche, die Gestalt der einzelnen Bereiche, deren relativen Lage zueinander, etc. repräsentieren, so dass dann eine oder mehrere dieser Kenngrößen so eingestellt werden, dass die gewünschte temperaturkompensierende Wirkung im Frequenzverhalten erreicht wird. Insbesondere können in diesen Schritten eine Vielzahl von Korrelationen erstellt werden, die diverse Eigenschaften der Sensorelemente berücksichtigen, etwa Art und Gestaltung der Leiterstruktur, Verfahren zur Herstellung des Substrats, Anwendungszweck des Sensorelements und dergleichen. Beispielsweise kann es notwendig sein, unter Berücksichtigung des Herstellungsverfahrens für das Substrat gewisse Rahmenbedingungen festzulegen, so dass nur gewisse Kenngrößen, beispielsweise die Art des zu verwendenden dielektrischen Materials in einem Bereich, dessen Schichtdicke, etc. im Wesentlichen veränderbar sind, um das gewünschte Temperaturverhalten zu erreichen. Beispielsweise bei der Herstellung des Substrats in Form einer Verbundglasscheibe für Fahrzeuge ist zu berücksichtigen, dass das darin verwendete PVB ein äußerst temperaturabhängiges Verhalten, auch hinsichtlich der Dielektrizitätskonstante, aufweist, wobei gleichzeitig auch eine möglichst flache Bauweise der Leiterstruktur und des Materials, das das negative Temperaturverhalten zeigt, zu berücksichtigen ist. Ferner müssen derartige Verbundglasscheiben gewissen mechanischen Belastungen standhalten, so dass auch dieser Aspekt bei der Gestaltung des Sensorelements zu berücksichtigen ist. D.h., in einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Wert der mindestens einen Kenngröße unter Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften des Substrats ermittelt, so dass zumindest für eine mechanische Eigenschaft des Substrats ein vorgegebener Mindestsollwert erreicht wird. Insbesondere kann dieser Mindestsollwert die Bruchlast des Substrats bei vordefinierter Punktbelastung unter spezifizierten Testbedingungen repräsentieren.

In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen wird der Wert der mindestens einen Kenngröße so festgelegt, dass ein Antwortsignal auf das eingespeiste Signal in einem vorgegebenen Temperaturbereich kleiner ist als eine durch eine definierte Mindestmenge an Feuchtigkeit auf dem Substrat hervorgerufene Änderung des Antwortsignals. Auf diese Weise ist es möglich, die Ansprechschwelle bzw. Auflösung des Sensorelements für Feuchtigkeit festzulegen, da somit der Temperatureinfluss auf das Sensorelement für eine Temperaturänderung in der Größe des vorgegebenen Temperaturbereichs nicht zu einer Überschreitung der durch die definierte Mindestmenge hervorgerufenen Änderung des Antwortsignals führt. Somit kann das benötigte Maß an Temperaturkompensation für einen gegebenen Anwendungszweck als Feuchtigkeitssensor, beispielsweise als Regensensor in einem Fahrzeug, eingestellt werden, wobei beim eigentlichen Anwendungszweck dann bei Bedarf die Ansprechschwelle noch größer einstellbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben und gehen auch aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, die Bezug nimmt auf die folgenden Zeichnungen, in denen:
1a und 1e schematisch Draufsichten auf Sensorelemente gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen,
1b und 1c Querschnittsansichten von Sensorelementen gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigen,
1d qualitativ das Frequenzverhalten eines ertindungsgemäßen Sensorelements zeigt;
2a schematisch eine Draufsicht eines Sensorelements gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigt,
2b und 2c Querschnittsansichten anschaulicher Ausführungsformen zeigen, in denen ein erster Bereich und ein zweiter Bereich in Schichtbauweise vorgesehen sind;
3a schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messsystems zeigt,
3b schematisch das Frequenzverhalten eines konventionellen Regensensors im Vergleich zu einem temperaturkorrigierten Regensensor zeigt; und
4 schematisch ein Messsystem gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform zeigt, in der ein Sensorelement gleichzeitig mit vielen Frequenzkomponenten abgefragt wird.
1a zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein Sensorelement 100 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Sensorelement 100 umfasst ein dielektrisches Substrat 101, das wiederum mindestens einen ersten Bereich 120 und mindestens einen zweiten Bereich 110 aufweist. Das Substrat 101 kann ein beliebiges geeignetes Trägermaterial sein, um darauf oder darin eine Leiterstruktur 130 herzustellen. In vorteilhaften Ausführungsformen ist das Substrat 101 als ein flächiges Substrat bereitgestellt, dessen laterale Abmessungen, die als Länge 101l und als Breite 101b gezeigt sind, jeweils deutlich größer sind als dessen Dicke, d.h. die Richtung senkrecht zur Zeichenebene, wie dies auch in den 1b und 1c ersichtlich ist. Das Substrat 101 kann, zumindest bereichsweise, aus einem optischen transparenten Material aufgebaut sein, was insbesondere in Anwendungen als Regensensor in Frontscheiben vorteilhaft ist. In anderen Ausführungsformen ist jedoch die optische Transparenz des Substrats 101 nicht erforderlich oder nicht wünschenswert und das Substrat 101 kann vollständig oder bereichsweise lichtundurchlässig sein. Der zweite Bereich 110 des Substrats ist so ausgebildet, dass er ein temperaturabhängiges Verhalten besitzt, so dass der Wert einer durch die Leiterstruktur 130 und durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Substrats 101 und insbesondere der Bereiche 110 und 120 bestimmten induktiven und kapazitiven Komponente zu verringern. Bekanntlich weist eine Leiteranordnung eine von der Geometrie und den magnetischen und elektrischen Eigen schaften der Umgebung der Leiteranordnung abhängige (parasitär) Induktivität und Kapazität auf, die der Leiteranordnung, bei Vernachlässigung des ohmschen Widerstands ein Schwingkreisverhalten verleihen, das durch eine Resonanzaufname
mit charakterisiert werden kann, wobei L den Wert der induktiven Komponente und C den Wert der kapazitiven Komponente angibt. In der dargestellten Ausführungsform weist die Leiterstruktur 130 eine erste Struktur 132, die im Wesentlichen an dem ersten Bereich 120 angebracht ist, und eine zweite Struktur 131, die im Wesentlichen an dem zweiten Bereich 110 angebracht ist, auf, wobei die Strukturen 131 und 132 in Verbindung mit den elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Bereiche 110 und 120 jeweils eine gewisse parasitäre Kapazität sowie eine parasitäre Induktivität besitzen. Beispielsweise kann die erste Struktur 132 aus einem einzelnen zusammenhängenden Leiter aufgebaut sein, der eine Vielzahl benachbarter Leiterabschnitte aufweist, so dass sich insgesamt eine relativ kleine parasitäre Kapazität ergibt. Die zweite Leiterstruktur 131 kann in gleicher Weise wie die erste Leiterstruktur 132 aufgebaut sein, so dass sich für die zweite Struktur 131 in etwa ein ähnliches Verhalten der parasitären Kapazität bei der Messung einer Umwelteigenschaft, beispielsweise einer auf oder über der Leiterstruktur 130 abgeschiedenen Feuchtigkeit, ergibt.
In der dargestellten Ausführungsform weist die zweite Struktur 131 jedoch eine Form auf, in der die eingeschlossene Fläche der als einzelner zusammenhängender Leiter ausgeführten Struktur 131 groß ist, während die kapazitive Komponente groß ist und sich im wesentlichen auf die von der Struktur 131 eingenommen Fläche beschränkt. Hierbei kann beispielsweise der zweite Bereich 110 so ausgeführt sein, dass dieser ein Material mit einer relativen Permeabilität besitzt, die bei zunehmender Temperatur geringer wird, so dass eine Resonanzfrequenz des durch die parasitäre Kapazität und Induktivität der Struktur 131 gebildete Schwingkreises eine Erhöhung der Resonanzfrequenz erfährt. Auf Grund des großen Flächenanteils und damit der Größe des Einflusses auf die induktive Komponente im Vergleich zur parasitären Kapazität kann hierbei das entsprechende Temperaturverhalten der relativen Permeabilität eine vergleichsweise geringe negative Steigung aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann der zweite Bereich 110 ein Material aufweisen, dessen Dielektrizitätskonstante bei zunehmender Temperatur abnimmt, so dass die entsprechende parasitäre Kapazität mit steigender Temperatur klei ner wird, was wiederum zu einem Anstieg der Resonanzfrequenz bei zunehmender Temperatur des zweiten Bereichs 110 führt. Wie eingangs bereits erwähnt ist, ist in besonderen Ausführungsformen das Substrat 101 ein Teil einer Glasscheibe, insbesondere einer Verbundglasscheibe, die bei der Verwendung im Fahrzeugbereich gewissen mechanischen Belastungen standhalten muss. In diesen Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn nur relativ geringe Mengen an Material in die Verbundglasscheibe eingebracht werden, die im konventionellen Verbundglas nicht vorgesehen sind. Typischerweise besteht eine Verbundglasscheibe im Fahrzeugbereich aus einer ersten Glasscheibe, einer dazwischenliegenden PVB-Folie und einer zweiten Glasscheibe, die durch Wärme und Druck miteinander verbunden werden. Um das Substrat 101 nun als einen Teil einer Verbundglasscheibe auszubilden, der möglichst ähnliche mechanische Eigenschaften im Vergleich zu einer konventionellen Verbundglasscheibe aufweist, kann es günstig sein, den ersten Bereich 120 und den zweiten Bereich 110 als möglichst dünne Schichten mit darauf ausgebildeter Leiterstruktur 130 vorzusehen, wobei es ggf. auch vorteilhaft sein kann, das Material im zweiten Bereich 110, in welchem ein beispielsweise negatives Temperaturverhalten für die kapazitive Komponente und/oder induktive Komponente vorgesehen ist, in geringen Mengen zu verwenden, um damit die Gesamteigenschaften der Verbundglasscheibe nicht zu beeinträchtigen. Beispielsweise besitzt Butylgummi eine hohe Dielektrizitätskonstante, die in einem gewissen Temperaturbereich bei zunehmender Temperatur kleiner wird. Auf Grund der optischen und mechanischen Eigenschaften dieses Materials ist es jedoch vorteilhaft, dieses nur im Bereich der Struktur 131 vorzusehen, so dass damit zwar wirksam die kapazitive Komponente in der gewünschten Weise temperaturabhängig wird, ohne jedoch einen größeren Einfluss auf das Gesamtverhalten des Substrats 101 auszuüben.
Ferner ist in der dargestellten Ausführungsform ein Abstand 101a zwischen der ersten Struktur 132 und der zweiten Struktur 131 so gewählt, dass bei einer induktiven Ankopplung an einer Ansteuereinrichtung (nicht gezeigt) ein im Wesentlichen entkoppeltes Verhalten der Bereiche 120 und 110 erreicht wird. Wie eingangs bereits erwähnt ist, ist es in vielen Anwendungen jedoch vorteilhaft, den Abstand 101a möglichst gering zu halten, um damit eine möglichst kompakte Bauweise und/oder eine möglichst gute thermische Ankopplung der Bereiche 110 und 120 zu erreichen. Ferner kann auch durch den Abstand 101a der Grad der elektromagnetischen Kopplung der Strukturen 131 und 132 eingestellt werden, so dass der Abstand 101a neben vielen weiteren baulichen Maßnahmen, wie beispielsweise die Gestalt, die relativen Größen, die Materialien und dergleichen für die Leiterstruktur 130 sowie die Bereiche 120 und 110 ein Mittel zur Einsteilung eines gewünschtes Grades an Temperaturkompensation darstellt.
1b zeigt einen Querschnitt des Sensorelements 100, wobei der zweite Bereich 110 im Substrat so ausgebildet ist, dass die zweite Struktur 131 vollständig über dem Bereich 110 ausgebildet ist. Der zweite Bereich 120 repräsentiert hierbei den Rest des Substrats 101 mit dem positiven Temperaturverhalten hinsichtlich der kapazitiven und/oder induktiven Komponente der Struktur 132. Ferner ist eine Gesamtdicke 101d des Substrats 101 gezeigt, die wesentlich kleiner ist als die entsprechenden lateralen Abmessungen 101b, 101l.
1c zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorelements 100 in der Querschnittsansicht, wobei das Substrat 101 hier in einer typischen Verbundglaskonfiguration bereitgestellt ist. Hierbei weist das Substrat 101 eine erste Glasschicht 103 gefolgt von einer Schicht mit einem amorphen Thermoplastmaterial, etwa PVB, 102 auf. Daran schließt sich der erste Bereich 120 mit der darin vorgesehenen ersten Struktur 132 auf der einen Seite sowie der zweiten Bereich 110 mit der darin vorgesehenen zweiten Struktur 121 auf der anderen Seite an. Darüber ist eine zweite Glasscheibe 104 vorgesehen. In weiteren Ausführungsformen kann ggf. eine weitere Schicht aus einem amorphen Thermoplastmaterial zwischen der Glasscheibe 104 und den Bereichen 120 und 110 vorgesehen werden, um die Eigenschaften des Gesamtsubstrats 101 hinsichtlich des Bruchverhaltens zu verbessern. In einer weiteren Ausführungsform kann das dielektrische Material in dem ersten Bereich 120 als amorphes Thermoplastmaterial vorgesehen werden, so dass das Verhalten des Substrats 101 im Wesentlichen einer konventionellen Verbundglasscheibe entspricht, insbesondere dann, wenn der zweite Bereich 110, der das inverse Temperaturverhalten aufweist und ein anderes Material als Dielektrikum erfordert, mit kleinerem Volumen im Vergleich zum ersten Bereich 120 vorgesehen ist.
1d zeigt schematisch ein Frequenzverhalten des Sensorelements 100, wobei die Kurve A qualitativ das Frequenzverhalten des ersten Bereichs 120 und die Kurve B qua litativ das Frequenzverhalten des zweiten Bereichs 110 bei zunehmender Temperatur in dem ersten und dem zweiten Bereich 110, 120 darstellen, wenn diese im Wesentlichen bei induktiver Einstrahlung eines Signals entkoppelt sind, d.h. wenn der Abstand 101a (1a) vergleichsweise groß ist. Hierbei zeigt sich, dass bei zunehmender Temperatur eine Resonanzfrequenz f1 auf Grund des temperaturabhängigen Verhaltens des ersten Bereichs 120, der den Wert der induktiven und/oder kapazitiven Komponente, d.h. bei der in 1a gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen der kapazitiven Komponente, vergrößert und damit die Resonanzfrequenz f1 verkleinert. Hierbei verhält sich die Resonanzfrequenz f2 des zweiten Bereichs 110 so, dass aus beiden Frequenzverläufen ein Maß für das Temperaturverhalten und damit auch eine gewünschte Korrektur ableitbar ist. Insbesondere, wenn der zweite Bereich 110 ähnlich ausgebildet ist wie der erste Bereich 120 hinsichtlich der Sensitivität auf eine gewünschte Umwelteigenschaft, beispielsweise die abgeschiedene Feuchtigkeit, erlaubt das unterschiedliche Temperaturverhalten der Kurven A und B eine sehr effiziente Kompensation.
Die Kurve C repräsentiert qualitativ das Verhalten des Sensorelements bei variierender Temperatur, wenn eine ausreichend hohe Kopplung zwischen den Bereichen 110 und 120, beispielsweise durch einen sehr geringen Abstand 101a in 1a, gegeben ist. Hierbei ist die Resonanzfrequenz f0 des gekoppelten Systems nur geringfügig von der Temperatur abhängig und bleibt, zumindest in einem gewissen Temperaturbereich, konstant. Anschaulich lässt sich dieses Verhalten dadurch erklären, dass bei einer gegebenen Temperatur die Kopplung des zweiten Bereichs 110, der individuell betrachtet die Resonanzfrequenz f2 aufwiese, so auf den ersten Bereich 120 einwirkt, dass dessen entkoppelte Resonanzfrequenz f1 abgesenkt wird, so dass sich insgesamt die Resonanzfrequenz f0 einstellt, die dann auf Grund der gegenläufigen Temperaturverhalten im Wesentlichen gleich bleibt, da sich dann die effektive Kopplung verringert.
Wie aus 1d somit qualitativ zu entnehmen ist, lässt sich insbesondere bei enger Ankopplung der Bereiche 120 und 110 eine einfache Betriebsweise für die Ansteuerung und die Auswertung des Sensorelements 110 erreichen, da das Frequenzverhalten nunmehr im Wesentlichen durch eine zu messende Umwelteigenschaft, beispielsweise die Feuchtigkeit, bestimmt ist, ohne dass – bei entsprechender genauer Auslegung des Sensorelements 100 – eine Temperaturkompensation erforderlich ist.
1e zeigt schematisch eine Draufsicht auf das Sensorelement 100, wobei hierin eine besonders flächeneffiziente Ausführungsform dargestellt ist. Hierbei ist die zweite Leiterstruktur 131 so angeordnet, dass diese die erste Leiterstruktur 132 umschließt. Die Ausgestaltung der Bereiche 110 und 120 kann hierbei ebenso sein, wie dies im Zusammenhang mit den 1a bis 1c beschrieben ist. D.h. in einigen Ausführungsformen, in denen das Substrat 101 aus 1e eine Verbundglasscheibe eines Fahrzeuges repräsentieren soll, kann ein Aufbau gewählt werden, in welchem der zweite Bereich 110 im Wesentlichen auf die Abmessungen der Leiterstruktur 131 beschränkt ist, während der Bereich 120 im Wesentlichen ein Material aufweist, das den mechanischen Ansprüchen einer Verbundglasscheibe in besonderem Maße entspricht. Auf diese Weise ist der Einfluss des zweiten Bereichs 110 auf das Gesamtverhalten des Substrats 101 nur sehr gering, so dass sich damit die Anforderungen hinsichtlich der Punktbelastung und hinsichtlich des Bruchverhaltens für Fahrzeugverbundglasscheiben einhalten lassen. Jedoch sind auch andere Ausführungsformen, in denen beispielsweise der zweite Bereich 110 sich deutlich über die Abmessungen der Leiterstruktur 131 hinaus erstreckt möglich, wie dies beispielsweise im Zusammenhang mit den 1b und 1c erläutert ist.
2a zeigt schematisch ein Sensorelement 200 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen. Das Sensorelement umfasst ein dielektrisches Substrat 201 mit einem darin ausgebildeten ersten Bereich 220 und einen zweiten Bereich 210, die eine induktive und/oder kapazitive Komponente einer Leiterstruktur 220 beeinflussen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Leiterstruktur 230 so ausgeführt, dass eine galvanische Kopplung zwischen Leiterabschnitten in dem ersten Bereich 220 und im zweiten Bereich 210 vorhanden ist. In einer speziellen Ausführungsform ist die Leiteranordnung aus einem einzelnen zusammenhängenden Leiter aufgebaut, wobei der zusammenhängende Leiter abschnittsweise lateral benachbarte Abschnitte aufweist, um damit zwar eine kleine, auf Änderung sehr sensitive parasitäre Kapazität zu erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform kann die durch die vielen parallelen Leiterabschnitte der Struktur 230 gebildete parasitäre Kapazität als ein Kondensator aufgefasst werden, dessen Dielektrizitätskonstante örtlich variiert und im ersten Bereich 220 ein positives Temperaturverhalten und im zweiten Bereich 210 ein negatives Temperaturverhalten zeigt. Eine kleine und räumlich verteilte parasitäre Kapazität ist beispielsweise vorteilhaft für die Sensitivität und die Größe der sensitiven Fläche für über dem Substrat 201 abgeschiedene Feuchtigkeit. Hinsichtlich der Materialien zur Verwendung in dem ersten und dem zweiten Bereich 220, 210 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor in Bezug auf das Sensorelement 100 dargelegt sind.
2b zeigt das Sensorelement 200 im Querschnitt gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform. Hierbei ist im Gegensatz zur Ausführungsform in 2a ein Schichtaufbau für den ersten und den zweiten Bereich 220, 210 vorgesehen. Beispielsweise kann der erste Bereich 220 durch eine Schicht eines Dielektrikums mit einem positiven Temperaturverhalten vorgesehen sein. Z.B. kann die Schicht 220 Glas, PVB oder ein anderes Material aufweisen. Darüber ist der erste Bereich 210 angeordnet, um somit eine räumliche Trennung der Leiterstruktur 230 von dem ersten Bereich 220 zu bewirken. In der dargestellten Ausführungsform ist beispielsweise eine Schicht 210a eines Dielektrikums vorgesehen, dessen relative Permittivität bei zunehmender Temperatur abnimmt. In weiteren Ausführungsformen kann eine weitere Schicht 210b aus diesem Material oder auch aus einem anderen Material, das lediglich geringe Temperaturabhängigkeit in seiner Dielektrizitätskonstante besitzt, vorgesehen werden, um beispielsweise die Leiterstruktur 230 vollständig zu umschließen. Beispielsweise ist in einer vorteilhaften Ausführungsform sowohl die Schicht 210a als auch der Schicht 210b aus dem gleichen Material mit negativem Temperaturverhalten ausgebildet, so dass die Wirkung der Schicht 220 auf die schließlich erreichte parasitäre Kapazität der Leiteranordnung 230 „abgeschirmt" und damit kompensiert ist. Ferner ergibt sich auf Grund des Vorsehens der Schicht 210b auch die Möglichkeit, ein weiteres Material, beispielsweise PVB über der Schicht 210b vorzusehen, wobei ebenso eine entsprechende Temperaturkompensation stattfinden kann. Der Grad der Temperaturkorrektur bzw. Temperaturkompensation kann beispielsweise durch die Art des Materials der Schicht 210a und/oder 210b, falls diese vorgesehen ist, und/oder durch die Schichtdicke eingestellt werden.
2c zeigt das Sensorelement 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform, in der der erste Bereich 220 und der zweite Bereich 210 in Schichtbauweise vorgesehen sind. In dieser Ausführungsform weist der zweite Bereich 210, der zwischen der Leiteranordnung 230 und dem ersten Bereich 220 angeordnet ist, ein Material auf, das ein sehr tempera turabhängiges Verhalten im Hinblick auf die Ausdehnung zeigt, während die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante deutlich geringer ist. Des weiteren ist ein Bereich 211 vorgesehen, der eine hohe Elastizität aufweist, so dass der Bereich 211 als eine „Dehnungsfuge" dienen kann, wenn das Material des zweiten Bereichs 210 bei Temperaturänderung eine entsprechende Kontraktion oder Ausdehnung erfährt. Bei einer Temperaturzunahme im zweiten Bereich 210 ergibt sich somit eine entsprechende Zunahme des Abstands 230a zwischen benachbarten Leiterbahnabschnitten der Struktur 230, so dass sich bei individueller Betrachtung dieses Effekts eine Verringerung der parasitären Kapazität ergäbe. Im Zusammenwirken mit dem Material des ersten Bereichs 220, das beispielsweise Glas oder PVB sein kann, lässt sich somit eine effiziente Temperaturkorrektur bzw. Kompensation erreichen. Hierbei lässt sich die korrigierende Wirkung wiederum durch die Auswahl des Materials sowie die Schichtdicke einstellen.
Wie zuvor bereits erwähnt ist, lässt sich auch die induktive Komponente durch einen großen Wärmeausdehnungskoeffizienten verändern, wenn beispielsweise die Verringerung einer „Ferro- oder Ferrimagnetmaterialdichte" den „Geometrieeffekt" einer zunehmenden von der Leiter eingeschlossenen Fläche überkompensiert.
In den zuvor dargestellten Ausführungsformen der Sensorelemente 100 und 200 können die entsprechenden Substrate teilweise oder vollständig aus transparentem Material hergestellt sein, so dass sich diese Sensorelemente in optisch ansprechender Weise in entsprechende Komponenten, beispielsweise Frontscheiben, Scheibenwischer, Heck- und Seitenscheiben von Fahrzeugen, Fenster, Glastüren, etc. integrieren lassen. In besonders vorteilhaften Ausführungsformen sind hierbei die entsprechenden Leiterstrukturen 130 und 230 ebenfalls aus einem optisch transparentem Material, etwa ITO, hergestellt, so dass sich diese Sensorelemente auch im Sichtbereich des Anwenders ohne Funktionseinschränkung anordnen lassen. Insbesondere ergibt sich daraus die Möglichkeit, die Sensorelemente an kritischen Bereichen einer Frontscheibe des Fahrzeuges anzuordnen, so dass die Feuchtigkeit direkt an diesem kritischen Bereich ermittelt wird und für die Steuerung der Scheibenwischeranlage in zuverlässigerer Weise benutzt werden kann, im Vergleich zu Sensorelementen, die an peripheren Bereichen vorgesehen sind.
Hinsichtlich der Herstellung der Sensorelemente 100 und 200 kann wie folgt vorgegangen werden. Zunächst können für ein oder mehrere Materialien das Temperaturverhalten hinsichtlich der Dielektrizitätskonstante und/oder der Permeabilität und/oder des Wärmeausdehnungskoeffizienten ermittelt werden und der Einfluss dieses Verhaltens auf die entsprechenden induktiven und/oder kapazitiven Komponenten für eine oder mehrere Leiteranordnungen kann bestimmt werden. Dabei ist es vorteilhaft, für mehrere gegebene Leiteranordnungen, die im Hinblick auf Flächenoptimierung, Sensitivität, Frequenzbereich und dergleichen entworfen sind, eine entsprechende Korrelation zu ermitteln, die die Abhängigkeit des Frequenzverhaltens von der Temperatur in Bezug auf eine oder mehrere Kenngrößen quantitativ beschreibt. Beispielsweise kann eine derartige Korrelation für ein ausgewähltes Dielektrikum mit negativem Temperaturverhalten für eine vorgegebene Leiterkonfiguration unter Variierung des Flächenanteils zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich, beispielsweise in der Ausführungsform aus 2a, ermittelt werden. Anhand dieser Ergebnisse, die beispielsweise experimentell und/oder durch Simulationsberechnungen, erhalten werden können, wird sodann die Leiterstruktur auf einem Substrat entsprechend der gewonnenen Korrelation so gestaltet, um ein gewünschtes Maß an Temperaturkorrektur oder Kompensation zu erreichen. Hierbei kann beispielsweise durch Messung und/oder Berechnung ein gewünschtes Maß an Sensitivität für eine Umwelteigenschaft, beispielsweise eine auf dem Sensorelement abgeschiedene Feuchtigkeit, vorgegeben werden, beispielsweise Anzahl und/oder Größe von Wassertröpfchen auf einem dazu geeignet angeordneten Oberflächenbereich des Sensorelements, die als Schwellwert zum Einschalten der Scheibenwischeranlage betrachtet wird, wobei dann anhand der Korrelation ein zum zuverlässigen Erkennen dieses Schwellwerts notwendiges Maß an Temperaturkorrektur ermittelt wird. Dies gilt insbesondere für Sensorelemente, die mit einem möglichst einfachen Ansteuerverfahren zu betreiben sind. In anderen Ausführungsformen, in denen beispielsweise die Bereiche mit unterschiedlichem Temperaturverhalten individuell ausgelesen werden können, können die entsprechenden Anforderungen hinsichtlich der Anpassung des Temperaturverhaltens der beiden unterschiedlichen Bereiche wesentlich geringer sein, da dann eine Korrektur in einer entsprechenden Auswerteeinrichtung erfolgen kann.
3a zeigt schematisch ein Messsystem 350 gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Das System 350 umfasst ein Sensorelement 300, das so aufgebaut sein kann wie dies in den vorhergehenden Ausführungsformen dargelegt ist. Insbesondere weist das Sensorelement 300 eine Leiteranordnung auf, die in oder an einem Substrat angebracht ist, das wiederum zwei Bereiche mit unterschiedlichem Temperaturverhalten aufweist. Ferner ist die durch die Leiterstruktur und das Substrat definierte parasitäre Induktivität und/oder parasitäre Kapazität durch eine Umwelteigenschaft, beispielsweise Feuchtigkeit, steuerbar. Das System 350 umfasst ferner eine Ansteuereinrichtung 360, die in der vorliegenden Ausführungsform galvanisch von dem Sensorelement 300 entkoppelt ist und induktiv mit dem Sensorelement 300 koppelbar ist. Ferner umfasst das System 350 eine Auswerteeinrichtung 340, die in der gezeigten Ausführungsform ebenso galvanisch von dem Sensorelement 300 entkoppelt und mit der Ansteuereinrichtung 360 verbunden ist. Die Ansteuereinrichtung 360 ist so ausgebildet, um zumindest ein Signal mit einer ausgewählten Frequenzkomponente in das Sensorelement 300 einzuspeisen, wobei in bevorzugten Ausführungsformen die Ansteuereinrichtung 360 mehrere Frequenzkomponenten innerhalb eines ausgewählten Frequenzbereiches bereitstellen kann. Ferner ist die Auswerteeinrichtung 340 ausgebildet, eine entsprechende Größe, die für das Gesamtsystem aus Ansteuereinrichtung 360 und Schwingkreis 300 charakteristisch ist, zu bestimmen. Beispielsweise kann die Leistung, der Strom, die Spannung, d.h. deren Realteile und/oder Imaginärteile, die Impedanz oder die Phase in der Ansteuereinrichtung 360 gemessen werden. Beim Betrieb des Systems 350 wird nun ein Signal in das als Schwingkreis wirkende Sensorelement 300 eingespeist, so dass sich in der Auswerteeinrichtung 340 eine entsprechende Antwort des Sensorelements 300 ableiten lässt. Da insbesondere das Sensorelement 300 in einer temperaturkorrigierten Weise vorgesehen ist, kann aus der Änderung des von der Auswerteeinrichtung 340 gemessenen Signals auf die Größe der zu messenden Umwelteigenschaft geschlossen werden.
3b zeigt schematisch qualitativ Messergebnisse eines konventionellen Messsystems, das beispielsweise die Auswerteeinrichtung 340 und die Ansteuereinrichtung 360 in Kombination mit einem Sensorelement für Feuchtigkeit ohne innere Temperaturkorrektur aufweist, im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen System 350. In 3b zeigt die Kurve A den Verlauf der Resonanzfrequenz des Sensorelements für einen gegebenen Befeuchtungszustand für einen konventionellen Temperaturbereich von 20 bis 50°C. Hierbei zeigt sich eine starke Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Tem peratur, ohne dass eine Änderung der Feuchtigkeit stattfindet, so dass ein daraus gewonnenes Signal keinen Rückschluss auf den Grad der Befeuchtung zulässt. Demgegenüber zeigt die Kurve B das Ergebnis für das Sensorelement 300, das einen oder mehrere erste Bereiche und einen oder mehrere zweite Bereiche aufweist, die ein zueinander inverses Temperaturverhalten aufweisen. Auf Grund dieser Ausbildung zeigt die Resonanzfrequenz im Wesentlichen keine oder nur eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit, so dass dieses Signal nach entsprechend geeigneter Kalibrierung für das Maß an Befeuchtung des Sensorelements 300 repräsentativ ist. D.h., bei einem entsprechend ausgelegten temperaturkorrigierten Verhalten kann der Betrieb des Messsystems 350 mit einer geeignet gewählten einzelnen Frequenz stattfinden, beispielsweise an einer abfallenden oder ansteigenden Flanke in der Nähe der Resonanzfrequenz (siehe 1d), da sich dann bei einer entsprechenden Änderung der Resonanzfrequenz, die somit im Wesentlichen durch die Feuchtigkeit bewirkt wird, eine gute messbare Abhängigkeit von der Signalamplitude ergibt. Auf Grund dieser vereinfachten Ansteuerung ergibt sich eine geringere Anforderung hinsichtlich der Bandbreite der Ansteuereinrichtung und auch der Auswerteeinrichtung, wodurch auch die Arbeitsgeschwindigkeit des Systems aufgrund der geringeren Datenmenge größer wird und insgesamt zur Vereinfachung des Systems 350 bei gleicher oder größerer Genauigkeit im Vergleich zu konventionellen Systemen beiträgt.
In einigen Ausführungsformen kann dennoch ein Signal mit mehreren Frequenzkomponenten in das Sensorelement 300 eingespeist werden, so dass während Kalibrierungsphasen oder Initialisierungsphasen eine genaue Lage der Resonanzfrequenz und das Aussuchen einer geeigneten Frequenz für die eigentliche Messphase unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen, Umwelteinflüssen, Alterungserscheinungen, etc. möglich ist.
4 zeigt schematisch ein Messsystem 450 mit einem Sensorelement 400 einer Ansteuereinrichtung 460 und einer Auswerteeinrichtung 440, wobei das System 450 ausgebildet ist, eine Vielzahl von Frequenzkomponenten gleichzeitig in das Sensorelement 400 einzuspeisen. Hierzu kann die Ansteuereinrichtung einen Impulsgenerator aufweisen, der somit Impulse bereitstellt, die eine Vielzahl von Frequenzkomponenten beinhalten, um damit eine Impulsantwort des Sensorelements 400 und der Ansteuereinrichtung 460 zu erzeugen. Die entsprechende Impulsantwort kann mittels der Auswerteeinrichtung 440, die eine Einrichtung für Fouriertransformation aufweist, so ausgewertet werden, dass beispielsweise die Resonanzfrequenz direkt ermittelbar ist. Bei geeigneter Konfiguration der Auswerteeinrichtung 440 können die für die Fouriertransformation benötigten Berechnungen in relativ kurzer Zeit ausgeführt werden, so dass abhängig von der Frequenz der Impulse die Resonanzfrequenz entsprechend häufig ermittelt werden kann. Auf diese Weise lässt sich eine relativ hohe Messrate und damit eine geringe Ansprechzeit verwirklichen, wobei dennoch eine hohe statistische Relevanz der einzelnen Messergebnisse auf Grund der Darstellung der Impulsantwort für einen ausgedehnten Frequenzbereich erreicht wird. Auf diese Weise lassen sich Ungenauigkeiten, die bei Einzelfrequenzmessungen durch Amplitudenschwankungen auftreten, effizienter vermeiden.
Ferner ist anzumerken, dass die dargestellten Ausführungsformen in vielerlei Hinsicht variiert werden können. Beispielsweise sind die dargestellten Leitergeometrien in anderen Ausführungsformen so abgewandelt, dass spiralförmige Muster und/oder mäanderförmige Muster, etc. gebildet werden.
Des weiteren ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „mit", „umfassen", „enthalten", etc. und deren abgewandelten Formen, wenn sie zur Aufzählung von Merkmalen in den Ansprüchen und in der Beschreibung verwendet werden, nicht als abschließend gemeint sind, sondern explizit das Vorhandensein weiterer Merkmale zulassen.

Claims

Sensorelement mit: einem dielektrischen Substrat, einer an dem Substrat angebrachten Leiterstruktur, die eine von dem Substrat beeinflusste induktive Komponente und kapazitive Komponente aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat einen ersten temperaturabhängigen Bereich aufweist, der ausgebildet ist, bei sich ändernder Temperatur des ersten Bereichs den Wert der induktiven und/oder kapazitiven Komponente zu ändern, und einen zweiten temperaturabhängigen Bereich aufweist, der ausgebildet ist, bei sich in gleicher Weise ändernder Temperatur des zweiten Bereichs den Wert der induktiven und/oder kapazitiven Komponente kompensierend in Bezug zur Änderung durch den ersten Bereich zu ändern.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei der erste temperaturabhängige Bereich aufweist, der ausgebildet ist, bei zunehmender Temperatur des ersten Bereichs den Wert der induktiven und/oder kapazitiven Komponente zu erhöhen, und der zweite temperaturabhängige Bereich ausgebildet ist, bei sich ändernder Temperatur des zweiten Bereichs den Wert der induktiven und/oder kapazitiven Komponente zu verringern.
Sensorelement nach Anspruch 1 und/oder 2, wobei die Leiterstruktur im Wesentlichen als planare Anordnung ausgeführt ist, so dass Abmessungen in lateraler Richtung der Leiterstruktur wesentlich größer sind als eine Abmessung senkrecht zur lateralen Richtung.
Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste und der zweite Bereich ausgebildet sind, den Wert der kapazitiven Komponente bei Temperaturänderung stärker zu ändern als den Wert der induktiven Komponente.
Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Bereich ein erstes Dielektrikum mit positivem Temperaturgang seiner relativen Permittivität und der zweite Bereich ein zweites Dielektrikum mit negativem Temperaturgang seiner relativen Permittivität aufweist.
Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Bereich so ausgebildet ist, dass der Wert der induktiven Komponente bei Temperaturerhöhung geändert wird.
Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substrat im zweiten Bereich ein Material aufweist, das einen größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist als Material im ersten Bereich.
Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste und der zweite Bereich so ausgebildet sind, dass sich bei gleicher Temperatur des ersten und zweiten Bereichs innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs Änderungen im des durch die kapazitive und induktive Komponente bestimmten Frequenzverhalten ergeben, die kleiner sind als Änderungen im Frequenzverhalten, die durch eine gewünschte vordefinierte Minimaländerung einer Umwelteigenschaft hervorgerufen werden, so dass das Frequenzverhalten eine zur Messung der Umwelteigenschaft direkt verwendbare Messgröße repräsentiert.
Sensorelement nach Anspruch 8, wobei die Umwelteigenschaft die Befeuchtung repräsentiert.
Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Substrat transparent ist.
Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Substrat einen Oberflächenbereich aufweist, der mit der Umgebung in Kontakt und durch Umgebungsfeuchtigkeit benetzbar ist und wobei der Oberflächenbereich so angeordnet ist, dass sich im ersten und/oder zweiten Bereich eine Vergrößerung des Werts der kapazitiven Komponente bei Benetzung eines Teils des Oberflächenbereichs ergibt.
Sensorelement nach Anspruch 11, wobei das Substrat einen Teil einer Glasscheibe bildet.
Sensorelement nach Anspruch 12, wobei die Glasscheibe als Verbundglasscheibe ausgebildet ist und als eine Zwischenschicht ein amorphes Thermoplastmaterial aufweist, das zumindest im ersten temperaturabhängigen Bereich enthalten ist.
Sensorelement nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Glasscheibe in einem Fahrzeug verbaut ist.
Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Leiterstruktur eine erste Struktur und eine zweite Struktur, die voneinander galvanisch entkoppelt sind, aufweist.
Sensorelement nach Anspruch 15, wobei die erste Struktur im Wesentlichen an dem ersten Bereich angebracht ist und die zweite Struktur im Wesentlichen an dem zweiten Bereich angebracht ist.
Sensorelement nach Anspruch 15 oder 16, wobei die zweite Struktur die erste Struktur lateral umschließt.
Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die erste Struktur aus einem einzelnen zusammenhängenden ersten Leiter und die zweite Struktur aus einem einzelnen zusammenhängenden zweiten Leiter aufgebaut sind.
Sensorelement nach Anspruch 18, wobei der erste und der zweite Leiter jeweils lateral benachbarte Abschnitte aufweisen.
Sensorelement nach Anspruch 19, wobei die Länge des ersten Leiters größer ist als die Länge des zweiten Leiters.
Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Leiterstruktur einen ersten Abschnitt, der an dem ersten Bereich angebracht ist, und einen zweiten Abschnitt, der an dem zweiten Bereich angebracht ist, aufweist, und wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt galvanisch gekoppelt sind.
Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der erste Bereich in einer ersten Schicht und der zweite Bereich in einer zweiten Schicht als Schichtstapel angeordnet sind, und wobei die Leiterstruktur mit dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich überlappt.
Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Substrat mehrere erste und/oder mehrere zweite Bereiche aufweist, die voneinander durch einen Bereich mit unterschiedlichem Temperaturverhalten getrennt sind.
Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der zweite Bereich als Schicht ausgebildet ist, die den ersten Bereich und die Leiterstruktur trennt.
Temperaturkorrigiertes Messsystem mit: einem Sensorelement nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, einer mit dem Sensorelement gekoppelten Ansteuereinrichtung, die ausgebildet ist, ein Signal mit mindestens einer Frequenzkomponente in das Sensorelement einzuspeisen, und einer mit der Ansteuereinrichtung und/oder dem Sensorelement gekoppelten Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, ein dem Sensorzustand entsprechendes Ausgangssignal bereitzustellen.
Messsystem nach Anspruch 25, wobei das Sensorelement und die Ansteuereinrichtung galvanisch entkoppelt sind.
Messsystem nach Anspruch 25 und/oder 26, wobei das Sensorelement und die Auswerteeinrichtung galvanisch entkoppelt sind.
Messsystem nach mindestens einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei die Ansteuereinrichtung ausgebildet ist, das Signal mit mehreren Frequenzkomponenten, bereitzustellen, die sequentiell in das Sensorelement eingespeist werden.
Messsystem nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei die Ansteuereinrichtung ausgebildet ist, das Signal mit mehreren Frequenzkomponenten bereitzustellen, die gleichzeitig in das Sensorelement eingespeist werden.
Messsystem nach Anspruch 29, wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, ein Antwortsignal, das vom Sensorzustand abhängig ist, frequenzselektiv auszuwerten.
Messsystem nach Anspruch 30, wobei die Auswerteeinrichtung eine Einrichtung zur Fouriertransformation des Antwortsignals aufweist.
Messsystem nach mindestens einem der Ansprüche 25 bis 31, wobei zumindest die Ansteuereinrichtung in einer Komponente eines Fahrzeugs integriert ist.
Verfahren zur Herstellung eines temperaturkorrigierten Sensorelements mit den Schritten: Ermitteln des Temperaturverhaltens einer Leiterstruktur mit einer induktiven Komponente und einer kapazitiven Komponente, die an einem Substrat mit einem ersten temperaturabhängigen Bereich und einem zweiten temperaturabhängigen Bereich, die ein einander kompensierendes Temperaturverhalten aufweisen, angebracht ist, bei Einspeisung eines Signals mit mehreren Frequenzkomponenten innerhalb eines spezifizierten Frequenzbereichs, Ermitteln eines Zusammenhangs zwischen zumindest einer Kenngröße des ersten und/oder des zweiten Bereichs, die durch bauliche Maßnahmen veränderbar ist, und dem ermittelten Temperaturverhalten, Festlegen eines Wertes der mindestens einen Kenngröße auf der Grundlage des ermittelten Zusammenhangs derart, dass eine Abhängigkeit des Temperaturverhaltens für einen vorgegebenen Temperaturbereich innerhalb eines Sollbereichs verläuft und Herstellen des ersten und des zweiten Bereichs eines zweiten Substrats unter Berücksichtigung des festgelegten Kennwerts.
Verfahren nach Anspruch 33, das ferner umfasst: Ermitteln des Wertes der mindestens einen Kenngröße unter Berücksichtigung mechanischer Eigenschafen des Substrats, um zumindest für eine mechanische Eigenschaft des Substrats einen Mindestsollwert zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Mindestsollwert die Bruchlast des Substrats bei vordefinierter Punktbelastung unter spezifizierten Testbedingen bezeichnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, wobei der Wert der mindestens einen Kenngröße so festgelegt wird, dass ein Antwortsignal auf das eingespeiste Signal innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs kleiner ist als eine durch eine definierte Mindestmenge an Feuchtigkeit auf dem Substrat hervorgerufene Änderung des Antwortsignals.