-
Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte, ein Steuergerät, ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Detektion von Feuchtigkeit auf Leiterplatten, insbesondere für Steuergeräte von Fahrzeugen, sowie ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Speichermedium zur Durchführung des Verfahrens.
-
Bei der Kühlung von elektronischen Bauteilen, insbesondere mit Flüssigkeitskühlungen, kann der Fall eintreten, dass die Umgebungsluft im Bereich der Kühlelemente unter den Taupunkt abkühlt und das in dieser Luft enthaltene Wasser kondensiert und auf die elektronischen Bauteile abrinnt. Da Wasser zu Funktionsstörungen, beispielsweise durch elektrischen Kurschluss, führen kann, ist es von Vorteil eine Bildung von Kondenswasser frühzeitig detektieren zu können.
-
Aktuell werden im Stand der Technik vor allem elektrische Absorptionshygrometer eingesetzt, um die Luftfeuchtigkeit zu bestimmen. Hierbei wird beispielsweise ein hygroskopisches Dielektrikum in einem Kondensator verwendet. Ändert sich die Feuchte im Dielektrikum, ändern sich auch die elektrischen Eigenschaften, beispielsweise die Kapazität, des Kondensators. Diese Änderungen lassen sich durch elektrische Messungen ermitteln. Zur Detektion von Feuchtigkeit über einen Kondensator muss jedoch dessen hygroskopisches Dielektrikum direkt mit der Feuchtigkeit in Kontakt treten, um diese aufzunehmen. Jedoch ist diese bekannte Methode nicht sensitiv für einen Kondensationseffekts, da der hygroskopische Stoff der Luft auch oberhalb des Taupunktes Feuchtigkeit entzieht.
-
Aufgabe der Erfindung ist es eine Leiterplatte, ein Steuergerät, ein Fahrzeug, ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Speichermedium bereitzustellen, welche es ermöglichen die Kondensation von Feuchtigkeit auf einer Leiterplatte auf einfache Art und Weise sicher zu detektieren.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 9 bzw. 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem Feuchtigkeitssensor, umfassend einen ersten Hochfrequenzsignalpfad, einen zweiten Hochfrequenzsignalpfad und eine Vergleichseinheit, wobei der zweite Hochfrequenzpfad eine Detektionsstruktur aufweist, wobei die Vergleichseinheit ausgebildet ist, ein erstes elektronisches Signal des ersten Hochfrequenzsignalpfads zu erfassen und ein zweites elektronisches Signal des zweiten Hochfrequenzsignalpfads zu erfassen, wobei die Vergleichseinheit weiter ausgebildet ist das erste elektronische Signal mit dem zweiten elektronischen Signal zu vergleichen und dadurch Feuchtigkeit in der Nähe der Detektionsstruktur zu detektieren.
-
Der erste Hochfrequenzsignalpfad sowie der zweite Hochfrequenzsignalpfad sind vorzugsweise als Leiterbahnen auf der Leiterplatte ausgebildet. Der erste Hochfrequenzsignalpfad sowie der zweite Hochfrequenzsignalpfad sind insbesondere in Aufbau und Verlauf nicht identisch. Die Hochfrequenzsignalpfade sind ausgebildet ein elektronisches Signal, insbesondere ein binäres und/oder hochfrequentes Signale zu übertragen. Das elektronische Signal kann insbesondere ein gewöhnliches im Betrieb der Leiterplatte genutztes elektronisches Signal sein. Alternativ kann das elektronische Signal auch dediziert, zur Lösung der Aufgabe von einem Signalgeber bereitgestellt werden. Der erste Hochfrequenzsignalpfad ist ausgebildet das elektronische Signal als ein Referenzsignal zu übertragen. Der zweite Hochfrequenzsignalpfad ist ausgebildet das elektronische Signal als ein Detektionssignal zu übertragen. Das Detektionssignal steht in direktem Zusammenhang mit dem Referenzsignal. Insbesondere bei Einspeisung auf den jeweiligen Hochfrequenzsignalpfad stimmen das Referenzsignal und das Detektionssignal überein. Die Übertragung des Referenzsignals über den ersten Hochfrequenzsignalpfad erfolgt mit möglichst geringer und feuchtigkeitsunabhängiger Störung des Signals, wohingegen die Übertragung des Detektionssignals auf dem zweiten Hochfrequenzsignalpfad eine feuchtigkeitsabhängige Störung erfährt. Die feuchtigkeitsabhängige Störung ist, durch die in den zweiten Hochfrequenzsignalpfad integrierte Detektionsstruktur, verstärkt, sodass die Signalintegrität des Detektionssignals feuchtigkeitsabhängig verändert ist. Am Ausgang der Hochfrequenzsignalpfade sind diese mit der Vergleichseinheit verbunden und dazu ausgebildet das Referenz- sowie das Detektionssignal an diese zu übertragen.
-
Die Vergleichseinheit ist vorzugsweise als integrierter Schaltkreis ausgebildet, beispielsweise ein Mikroprozessor. Die Vergleichseinheit weist eine Schnittstelle zum Empfangen und Erfassen von elektronischen Signalen auf. Die Vergleichseinheit empfängt und vergleicht das Referenzsignal und das Detektionssignal und verarbeitet diese. Insbesondere ist die Vergleichseinheit dazu ausgebildet das Referenz- und das Detektionssignal hinsichtlich der Signalintegrität zu vergleichen. Die Signalintegrität beschreibt hierbei die Qualität des übertragenen Referenz- und Detektionssignals nach der Übertragung auf dem ersten bzw. zweiten Hochfrequenzsignalpfad. Die Signalintegrität wird durch die physischen Eigenschaften der Leiterbahn und deren Umgebung beeinflusst. Insbesondere Wasser in der Nähe der Leiterbahn führt zu einer Verschlechterung der Signalintegrität. Befindet sich nun kondensiertes Wasser auf der Leiterplatte, insbesondere in der Nähe vom zweiten Hochfrequenzsignalpfad verschlechtert sich die Signalintegrität des Detektionssignals gegenüber der Signalintegrität des Referenzsignals. Die Vergleichseinheit ist ausgebildet diese Verschlechterung der Signalintegrität zwischen Referenzsignal und Detektionssignal zu erkennen und darüber eine Kondensation von Feuchtigkeit auf der Leiterplatte zu detektieren. Insbesondere ist die Vergleichseinheit ausgebildet aus dem Grad der Verschlechterung der Signalintegrität auf den Grad der Wasserabscheidung auf der Leiterplatte zu schließen.
-
In einer Ausführungsform der Leiterplatte ist der zweite Hochfrequenzsignalpfad als Signalabzweigung des Signals vom ersten Hochfrequenzsignalpfads ausgebildet. Um das Referenzsignal als Detektionssignal auf den zweiten Hochfrequenzsignalpfad einzuspeisen kann vorteilhafterweise eine Abzweigung den ersten Hochfrequenzsignalpfad mit dem zweiten Hochfrequenzsignalpfad elektrisch koppeln. Die Abzweigung ermöglicht eine Übertragung des Referenzsignals vom ersten Hochfrequenzsignalpfad auf den zweiten Hochfrequenzsignalpfad. Nach der Übertragung auf den zweiten Hochfrequenzsignalpfad dient das übertragene elektronische Signal als Detektionssignal.
-
Vorteilhafterweise umfasst der zweite Hochfrequenzsignalpfad abschnittsweise eine Detektionsstruktur, welche beispielsweise einen mäanderförmigen oder bifilaren Verlauf aufweist.
-
Zur Steigerung der Empfindlichkeit ist der Verlauf des zweiten Hochfrequenzsignalpfads abschnittsweise, entgegen der Signalintegritätsregeln, so gestaltet, dass die Leiterbahn eine möglichst große Strecke auf einer möglichst kleinen Fläche zurücklegt. Hierzu ist der Verlauf der Leiterbahn im Bereich der Detektionsstruktur beispielsweise mäanderförmig ausgebildet. Alternativ kann die Leiterbahn auch bifilar schneckenförmig verlaufen. Der Verlauf der Leiterbahn kann insbesondere eckig sein. Die von der Detektionsstruktur umfasste Fläche der Leiterplatte beträgt vorzugsweise ca. 5mm x 5mm. Wasser in unmittelbarer Nähe, insbesondere oberhalb oder unterhalb, der Detektionsstruktur führt zu einer Veränderung der Signalintegrität im zweiten Hochfrequenzsignalpfad. Hierdurch wird insbesondere eine Lokalisation von Kondenswasser auf der Leiterplatte ermöglicht.
-
In einer Ausgestaltung ist zu der Detektionsstruktur eine Kapazität parallelgeschaltet. Durch die Parallelschaltung einer Kapazität zur Detektionsstruktur im zweiten Hochfrequenzsignalpfad wird die Signalintegrität zusätzlich gestört. Der Kondensator sorgt insbesondere für eine Impulsglättung und ein Verschmelzen von im zweiten Hochfrequenzsignalpfad übertragenen Signalimpulsen im Zeitbereich. Dadurch wird die Empfindlichkeit der Detektionsstruktur gesteigert. Die Kapazität ist in Abhängigkeit von der Detektionsstruktur so dimensioniert, dass in Abwesenheit von Kondenswasser bzw. Feuchtigkeit im Bereich der Detektionsstruktur eine Trennung der Signalimpulse möglich ist. Bei der Anwesenheit von Wasser im Bereich der Detektionsstruktur kommt es zu kritischen Intersymbolstörungen, über die das Wasser detektiert werden kann. Die Kapazität ist mit Vorteil von einem handelsüblichen Kondensator, beispielsweise einem Keramik- oder Elektrolytkondensator, oder als Leiterbahn-Struktur bereitgestellt.
-
Beispielsweise ist die Leiterplatte als Mehrlagen-Leiterplatte ausgebildet. Eine einfache Leiterplatte besteht aus einem Trägersubstrat, welches auf beiden Seiten eine leitende Kupferschicht aufweist, wodurch eine Bestückung mit elektronischen Bauteilen auf beiden Seiten möglich ist. Mehrlagen-Leiterplatten bestehen aus mehreren einfachen Leiterplatten, welche elektrisch isoliert aufeinander geklebt werden. Somit weist eine Mehrlagen-Leiterplatte neben den außenliegenden Leiterebenen auch innenliegende Leiterebenen auf, welche im Inneren der Leiterplatte angeordnet sind und welche gegebenenfalls von sich heraus keinen direkten elektrischen Kontakt an die Oberfläche der Leiterplatte aufweisen. Elektrische Kontakte zwischen den Leiterplatten erfolgen vorzugsweise mittels Durchkontaktierungen. Mehrlagen Leiterplatten erlauben eine höhere Packungsdichte bei der Bestückung und ein komplexeres Layout der Leiterplatte. Daneben können elektronische Strukturen auch in tieferen Kupferschichten realisiert sein.
-
In einer Ausführungsform verläuft der zweite Hochfrequenzsignalpfad, insbesondere die Detektionsstruktur, in einer innenliegenden Schicht der Mehrlagen-Leiterplatte. Der zweite Hochfrequenzsignalpfad bzw. die Detektionsstruktur kann, beispielsweise um Bauraum auf der Oberfläche der Leiterplatte einzusparen, auch in innenliegenden Kupferschichten einer Mehrlagen-Leiterplatte realisiert sein. Somit besteht kein direkter Kontakt des zweiten Hochfrequenzsignalpfads bzw. der Detektionsstruktur mit der Leiterplattenoberfläche. Da zur Detektion von Feuchtigkeit, im Gegensatz zu auf Hygroskopie basierenden Detektoren, kein direkter Kontakt zwischen Detektor und Feuchtigkeit nötig ist, wird die Funktion des beschriebenen Detektors hierdurch nicht eingeschränkt. Alternativ kann der zweite Hochfrequenzsignalpfad bzw. die Detektionsstruktur auch auf der äußersten Kupferschicht der Leiterplatte angeordnet sein und von einer isolierenden Lage, beispielsweise einer Lackschicht bedeckt sein. Auch hier ist weiterhin eine Detektion von Feuchtigkeit bei gleichzeitiger elektrischer Kapselung des Detektors ermöglicht.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist die Vergleichseinheit ausgebildet, das erste elektronische Signal in einem Speicherbereich selbst bereitzustellen und mit dem zweiten elektronischen Signal zu vergleichen und dadurch Feuchtigkeit in der Nähe der Detektionsstruktur zu detektieren.
-
Hierdurch kann der erste Hochfrequenzsignalpfad auf der Leiterplatte entfallen, da keine Übertragung des ersten elektronischen Signals als Referenzsignal zur Detektion von Feuchtigkeit nötig ist. Das erste elektronische Signal ist durch die Speicherung in der Vergleichseinheit bekannt, wodurch die oben beschriebenen Funktionen nicht eingeschränkt werden. Vielmehr ist die Vergleichseinheit ausgebildet analog das zweite elektronische Signal, welches über den zweiten Hochfrequenzsignalpfad mit Detektionsstruktur übertragen wird, zu erfassen und mit dem im Speicher bereitgestellten ersten elektronischen Signal zu vergleichen und dadurch Feuchtigkeit in der Nähe der Detektionsstruktur zu detektieren.
-
Die vorstehende Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Steuergerät gemäß Anspruch 7. Ein solches Steuergerät umfasst eine Leiterplatte gemäß zumindest einer der vorhergehenden Ausführungen oder nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
-
Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 8. Ein solches Fahrzeug umfasst ein Steuergerät gemäß zumindest einer der vorhergehenden Ausführungen oder nach Anspruch 7. Ein solches Fahrzeug ist insbesondere ein Kraftfahrzeug.
-
Die vorstehende Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Detektion von Feuchtigkeit auf einer Leiterplatte gemäß Anspruch 9 bzw. 10.
-
Ein erstes Verfahren zur Detektion von Feuchtigkeit auf einer Leiterplatte, wobei die Leiterplatte einen ersten Hochfrequenzsignalpfad, einen zweiten Hochfrequenzsignalpfad und eine Vergleichseinheit aufweist, umfasst die folgenden Schritte:
- a. Übertragen eines elektronischen Signals über den ersten Hochfrequenzsignalpfad und über den zweiten Hochfrequenzsignalpfad.
- b. Erfassen des ersten elektronischen Signals des ersten Hochfrequenzsignalpfads und des zweiten elektronischen Signals des zweiten Hochfrequenzsignalpfads durch die Vergleichseinheit.
- c. Vergleich des ersten Signals und des zweiten Signals miteinander und Bereitstellung eines Vergleichssignals durch die Vergleichseinheit.
- d. Ermitteln einer Feuchtigkeit aus dem bereitgestellten Vergleichssignal durch die Vergleichseinheit.
-
Das Verfahren sieht vor ein elektronisches Signal, insbesondere ein digitales, hochfrequentes Signal, auf der Leiterplatte zu übertragen. Die Leiterplatte ist vorzugsweise Bestandteil eines Steuergerätes. Beispielsweise kann ein von einem Steuergerät vorhandenes elektronisches Signal genutzt werden. Alternativ kann für das Verfahren extra ein elektronisches Signal beispielsweise von einem Steuergerät oder einem dedizierten Signalgeber, bereitgestellt werden. Das elektronische Signal wird auf einem ersten Hochfrequenzsignalpfad und einem zweiten Hochfrequenzsignalpfad übertragen, welche wie zuvor beschrieben ausgebildet sind. Nachdem das zu Beginn der Übertragung auf den Hochfrequenzsignalpfaden identische elektronische Signal die beiden Hochfrequenzsignalpfade durchlaufen hat sind die beiden elektronischen Signale nicht mehr identisch, insbesondere hinsichtlich der Signalqualität. Das auf dem ersten Hochfrequenzsignalpfad wird als Referenzsignal herangezogen. Das auf dem zweiten Hochfrequenzsignalpfad übertragene Signal dient als Detektionssignal. Von den beiden Hochfrequenzsignalpfaden werden diese beiden elektronischen Signale in eine Vergleichseinheit übertragen. Diese Vergleichseinheit kann z.B. vom Steuergerät bereitgestellt werden. Die Vergleichseinheit erfasst sowohl das Referenzsignal als auch das Detektionssignal. Anschließend vergleicht die Vergleichseinheit das Referenzsignal mit dem Detektionssignal. Die Vergleichseinheit wertet die beiden empfangenen elektronischen Signale insbesondere hinsichtlich der Signalqualität aus. Dies kann beispielsweise auf Basis eines mathematischen Modells erfolgen, welches beispielsweise auf einer Signaldarstellung als Augendiagramm basiert. Basierend auf dem Vergleich des elektronischen Signals vom zweiten Hochfrequenzsignalpfad gegenüber dem elektronischen Signal vom ersten Hochfrequenzsignalpfad, stellt die Vergleichseinheit ein Vergleichssignal bereit. Das Vergleichssignal wird beispielsweise durch Differenzbildung zwischen der Signalqualität des Referenzsignals und des Detektionssignals gebildet. Mit Hilfe des Vergleichssignals ermittelt die Vergleichseinheit die Feuchtigkeit, welche auf der Leiterplatte des Steuergeräts kondensiert ist. Das Steuergerät kann infolgedessen Gegenmaßnahmen zum Schutz vor Beschädigung, z.B. durch elektrische Kurzschlüsse, einleiten. Beispielsweise können Bereiche auf der Leiterplatte in denen Kondensation auftritt geheizt werden, um die Kondensation zu verhindern. Alternativ könnten entsprechende Bereiche auf der Leiterplatte auch vorsorglich abgeschaltet werden, wenn dies möglich ist.
-
Eine zweite Version des Verfahrens zur Detektion von Feuchtigkeit auf einer Leiterplatte, wobei die Leiterplatte einen Hochfrequenzsignalpfad und eine Vergleichseinheit, welche in einem Speicherbereich ein Referenzsignal bereitstellt, aufweist, umfasst die folgenden Schritte:
- e. Übertragen eines elektronischen Detektionssignals über den Hochfrequenzsignalpfad.
- f. Erfassen des elektronischen Detektionssignals des Hochfrequenzsignalpfads und Abrufen des zugehörigen Referenzsignals aus dem Speicherbereich durch die Vergleichseinheit.
- g. Vergleich des gespeicherten Referenzsignals und des Detektionssignals miteinander und Bereitstellung eines Vergleichssignals durch die Vergleichseinheit.
- h. Ermitteln einer Feuchtigkeit aus dem bereitgestellten Vergleichssignal durch die Vergleichseinheit.
-
Dieses Verfahren sieht vor das Referenzsignal nicht wie im vorherigen Verfahren über den ersten Hochfrequenzsignalpfad zu übertragen, sondern stattdessen das Referenzsignal in einem Speicherbereich der Vergleichseinheit bereitzustellen, sodass die Vergleichseinheit über einen deterministischen Kanal diesen Speicherbereich auslesen kann, um das ungestörte Referenzsignal zu erhalten. Deshalb wird in einem ersten Verfahrensschritt nur das elektronischen Detektionssignal über den zweiten Hochfrequenzsignalpfad und die Detektionsstruktur übertragen. Bei Beginn der Übertragung stimmt das Detektionssignal mit dem Referenzsignal überein, erfährt aber während der Übertragung eine feuchtigkeitsabhängige Störung. Im zweiten Verfahrensschritt wird das elektronische Detektionssignal nach der Übertragung über den Hochfrequenzsignalpfad von der Vergleichseinheit erfasst. In einem dritten Verfahrensschritt wird das erfasste Detektionssignal von der Vergleichseinheit mit dem gespeicherten Referenzsignal verglichen und ein Vergleichssignal bereitgestellt.
-
Um das Detektionssignal mit dem Referenzsignal vergleichen zu können, muss der Startpunkt des enthaltenen Signalmusters bestimmbar sein. Hierzu wird dem eigentlichen Detektionssignal ein Startsignal vorgeschaltet, welches so konfiguriert ist, dass es während der Übertragung keine Intersymbolstörungen erfährt und auch nach der Übertragung noch bestimmbar ist. Dies kann beispielsweise durch Frequenzspreizung des Startsignals erreicht werden. Daneben kann das Startsignal auch Informationen über das nachfolgende Detektionssignal enthalten, wodurch die Vergleichseinheit das entsprechende gespeicherte Referenzsignal für den Vergleich heranziehen kann. In einem letzten Schritt ermittelt die Vergleichseinheit analog zum vorherigen Verfahren mit Hilfe des Vergleichssignals die Feuchtigkeit, welche auf der Leiterplatte des Steuergeräts kondensiert ist. Die einzelnen Schritte werden von der Vergleichseinheit zyklisch wiederholt, um eine kontinuierliche Feuchtigkeitsbestimmung bereitzustellen. Hierbei können insbesondere verschiedene Detektionssignale angewendet werden. Beispielsweise kann die Empfindlichkeit des verwendeten Detektionssignals bei jedem Verfahrensablauf schrittweise gesteigert werden, um die Feuchtigkeitsbestimmung zu präzisieren.
-
Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 auszuführen.
-
Weiter wird die Aufgabe gelöst durch ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren bzw. die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 9 oder 10 auszuführen.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Merkmale werden in Form von Ausführungsbeispielen und anhand von Figuren näher erläutert.
-
Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung einer Leiterplatte,
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung einer Leiterplatte,
- 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung einer Leiterplatte,
- 4 ein Flussdiagramm entsprechend einem ersten Verfahren zur Detektion von Feuchtigkeit auf einer Leiterplatte und
- 5 ein Flussdiagramm entsprechend einem zweiten Verfahren zur Detektion von Feuchtigkeit auf einer Leiterplatte.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Leiterplatte (1). Die Leiterplatte (1) umfasst einen ersten Hochfrequenzsignalpfad (2) und einen zweiten Hochfrequenzsignalpfad (3). Die Leiterplatte (1) ist beispielsweise als Mehrlagen-Leiterplatte ausgebildet, welche mehrere leitende Schichten umfasst, die in Form von mehreren Lagen übereinander angeordnet sind. Die Hochfrequenzsignalpfade werden z.B. von Leiterbahnen gebildet. Diese Leiterbahnen können insbesondere auch in innenliegenden Schichten der Leiterplatte (1) verlaufen. Das dargestellte Schema beschränkt sich somit nicht auf eine bestimmte Schicht der Leiterplatte (1). Die Hochfrequenzsignalpfade (2;3) sind ausgebildet, ein elektronisches Signal an eine Vergleichseinheit (4) zu übertragen. Die Vergleichseinheit (4) ist eine Recheneinheit, z.B. ein Mikroprozessor. Die Vergleichseinheit (4), welche beispielhaft auf der Leiterplatte (1) angeordnet ist, ist ausgebildet, die beiden übertragenen elektronischen Signale zu verarbeiten. Zu Beginn der Übertragung der elektronischen Signale sind diese identisch. Dies wird z.B. durch eine Signalabzweigung (5) erreicht, welche das Signal des ersten Hochfrequenzsignalpfads (2) auf den zweiten Hochfrequenzsignalpfad (3) überträgt. Somit befindet sich unmittelbar nach der Signalabzweigung (5) ein identisches Signal auf dem ersten Hochfrequenzsignalpfad (2) und dem zweiten Hochfrequenzsignalpfad (3). Jeder Hochfrequenzsignalpfad für sich kann an einer beliebigen Stelle der Leiterplatte angeordnet sein. Eine bestimmte Relativanordnung ist nicht zwingend. In einer nicht dargestellten Variante könnten auch beide Hochfrequenzsignalpfad (2;3) komplett voneinander getrennt sein. Hierbei müsste ein identisches elektronisches Signal auf die beiden Hochfrequenzsignalpfade (2;3) getrennt aufgespielt werden. Der Verlauf der Hochfrequenzsignalpfade (2;3) würde in diesem Beispiel ohne Signalabzweigung (5) auskommen. Der weitere Verlauf hinter der Signalabzweigung wäre jedoch vom Schema identisch. Hinter der Signalabzweigung (5) überträgt der erste Hochfrequenzsignalpfad (2) das elektronische Signal, nach den Regeln der Signalintegrität, möglichst direkt zur Vergleichseinheit (4). Der zweite Hochfrequenzsignalpfad (3) weist, im Gegensatz zum ersten Hochfrequenzsignalpfad (2), weitere Strukturen auf. Diese umfassen eine Detektionsstruktur (6) und optional eine, parallel zur Detektionsstruktur geschaltete, Kapazität (7). In einer einfachen Ausgestaltung kann die Kapazität (7) durch eine Leiterbahnstruktur gebildet werden. Alternativ kann die Kapazität (7) auch durch einen Kondensator, z.B. einen Keramikkondensator, welcher an entsprechender Stelle in die Leiterbahn integriert ist, bereitgestellt sein.
-
Diese Struktur aus Detektionsstruktur (6) und Kapazität (7) dient zur Detektion von Feuchtigkeit, insbesondere Kondenswasser, in deren Nähe der Detektionsstruktur (6). Die Detektionsstruktur (6) ist durch einen mäandrierenden Verlauf der Leiterbahn ausgebildet. Die Kapazität (7) kann wie die Leiterbahn in jeder Schicht der Leiterplatte (1) verortet sein. Die Detektionsstruktur nimmt auf der Leiterplatte einen rechteckigen Bereich ein. Der mäandrierende Verlauf zeichnet sich durch den vielfachen, parallelen Verlauf des Hochfrequenzsignalpfads neben sich selbst aus. Dieser Verlauf, insbesondere in Verbindung mit der Kapazität (7), verletzt bewusst die Konzepte der Signalintegrität und macht das elektronische Signal, welches auf dem zweiten Hochfrequenzsignalpfad (3) übertragen wird, störanfällig. Insbesondere Wasser, welches sich auf der Oberfläche der Leiterplatte (1) und in der Nähe der Detektionsstruktur (6) abscheidet, verändert die Übertragungseigenschaften des zweiten Hochfrequenzsignalpfads (3). Insbesondere sinkt die Übertragungsqualität des zweiten Hochfrequenzsignalpfads bei Anwesenheit von Feuchtigkeit in der Nähe der Detektionsstruktur (6). Nachdem das elektronische Signal die Struktur aus Detektionsstruktur (6) und Kapazität (7) durchlaufen hat, führt die Leiterbahn des zweiten Hochfrequenzsignalpfades dieses ebenfalls zur Vergleichseinheit (4). Die Vergleichseinheit (4) ist ausgebildet die empfangenen elektronischen Signale des ersten und des zweiten Hochfrequenzsignalpfads (2;3) miteinander zu vergleichen. Der Vergleich erfolgt insbesondere hinsichtlich der Signalqualität zwischen erstem und zweiten Hochfrequenzsignalpfad (2;3). Feuchtigkeit, insbesondere kondensiertes Wasser im Bereich der Detektionsstruktur (6), führt zu einer Verringerung der Signalqualität des zweiten Hochfrequenzsignalpfads (2) gegenüber dem ersten Hochfrequenzsignalpfads (2). Die Vergleichseinheit ist ausgebildet, aus dem Grad der Verringerung der Signalqualität Rückschlüsse auf die Menge an kondensierter Feuchtigkeit zu ziehen und der Detektionsstruktur (6) zuzuordnen. Die Leiterplatte (1) kann Teil einer größeren Baueinheit, beispielsweise eines Steuergeräts, sein. Die Vergleichseinheit (4) kann ausgebildet sein basierend auf der Feuchtigkeitsdetektion selbst Maßnahmen einzuleiten oder diese Information weiterzuleiten, z.B. an das übergeordnete Steuergerät.
-
2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Leiterplatte (1) in schematischer Darstellung. Die Ausgestaltung ist dabei bis auf die Detektionsstruktur (6) identisch zu der Ausgestaltung, welche in 1 dargestellt ist. Auch die, durch die Leiterplatte (1), bereitgestellten Funktionen unterscheiden sich nicht von der Ausgestaltung in 1. Die Detektionsstruktur (6) ist jedoch nun durch einen bifilaren, schneckenförmigen Verlauf gekennzeichnet. Die bifilare Struktur besteht aus einer Leiterbahn, welche zunächst in einem ersten Abschnitt von einem Ausgangspunkt zu einem Wendepunkt verläuft und anschließend vom Wendepunkt parallel neben dem ersten Abschnitt zurück zu einem Endpunkt, wobei der Endpunkt neben dem Ausgangspunkt liegt. Der schneckenförmige Verlauf wird gebildet, indem die bifilare Struktur spiralförmig verläuft, wobei der Wendepunkt im Inneren der Spirale liegt. Der bifilare, schneckenförmige Verlauf besitzt einen rechteckigen Grundriss. Analog wäre ebenfalls ein kreisförmiger Grundriss der Spirale möglich. Diese alternative Detektionsstruktur (6) ist analog zur mäanderförmigen Detektionsstruktur (6) aus 1 in der zweiten Hochfrequenzsignalpfad (3) elektrisch verschaltet.
-
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Leiterplatte (1) in schematischer Darstellung. Hierbei wurde die Vergleichseinheit um einen Speicherbereich (8) erweitert. Hierdurch ist die Vergleichseinheit selbst ausgebildet ein Referenzsignal, welches im Speicherbereich gespeichert ist, bereitzustellen. Im Gegensatz zu Ausgestaltung in 1 und 2 entfällt somit der erste Hochfrequenzsignalpfad (2) und die Signalabzweigung (5), da keine Übertragung des Referenzsignals an die Vergleichseinheit nötig ist. Die Ausgestaltung des zweiten Hochfrequenzsignalpfads (3), sowie des Detektionsbereichs mit der Detektionsstruktur (6) ist analog zur Ausgestaltung in 1 bzw. 2.
-
4 zeigt in einem Flussdiagramm schematisch ein erstes Verfahren zur Detektion von Feuchtigkeit auf einer Leiterplatte. Hierbei werden die einzelnen Verfahrensschritte (a), (b), (c) und (d) ausgeführt, wobei die Leiterplatte (1), entsprechend 1 oder 2, einen ersten Hochfrequenzsignalpfad (2), einen zweiten Hochfrequenzsignalpfad (3) und eine Vergleichseinheit (4) umfasst. In einem ersten Verfahrensschritt (a) wird ein elektronisches Signal über den ersten Hochfrequenzsignalpfad (2) und über einen zweiten Hochfrequenzsignalpfad (3) übertragen. Das Signal, welches über den ersten Hochfrequenzsignalpfad übertragen wird, dient als Referenzsignal, indem es vorzugsweise störungsfrei übertragen wird. Das Signal, welches über den zweiten Hochfrequenzsignalpfad übertragen wird, dient als Detektionssignal, indem es bevorzugt eine Störung durch die Feuchtigkeit auf der Leiterplatte erfährt.
-
Im zweiten Verfahrensschritt (b) wird das erste elektronische Signal des ersten Hochfrequenzsignalpfads (2) und das zweite elektronische Signal des zweiten Hochfrequenzsignalpfads (3) von der Vergleichseinheit (4) erfasst.
-
Im dritten Verfahrensschritt (c) wird das erste Signal und das zweite Signal von der Vergleichseinheit (4) miteinander verglichen und ein auf dem Vergleich basierendes Vergleichssignal bereitgestellt. Der Vergleich erfolgt vorzugsweise hinsichtlich der Signalqualität. Ein Vergleichssignal wird beispielsweise über eine Differenzbildung zwischen der Signalqualität des Referenzsignals und des Detektionssignals bereitgestellt.
-
Im vierten Verfahrensschritt (d) wird eine Feuchtigkeit auf der Leiterplatte (1) aus dem bereitgestellten Vergleichssignal ermittelt. Vorteilhafterweise ordnet die Vergleichseinheit (4) über eine Wertetabelle oder empirische Funktion einem Vergleichssignalwert einen Feuchtigkeitswert zu, welcher einer bestimmten Feuchtigkeit auf der Leiterplatte entspricht. Für eine kontinuierliche Detektion von Feuchtigkeit auf der Leiterplatte, werden die Verfahrensschritte (a) - (d) in einer Schleife, z.B. taktgesteuert, wiederholt ausgeführt.
-
5 zeigt in einem Flussdiagramm schematisch ein zweites Verfahren zur Detektion von Feuchtigkeit auf einer Leiterplatte (1). Hierbei werden die einzelnen Verfahrensschritte (e), (f), (g) und (h) ausgeführt, wobei die Leiterplatte (1), entsprechend 3, einen zweiten Hochfrequenzsignalpfad (3) und eine Vergleichseinheit (4) mit einem Speicherbereich (8), zum Speichern eines Referenzsignals, umfasst.
-
In einem ersten Verfahrensschritt (e) wird ein elektronisches Signal über den zweiten Hochfrequenzsignalpfad (3) übertragen. Das Signal, welches über den zweiten Hochfrequenzsignalpfad (3) übertragen wird, dient als Detektionssignal, indem es bevorzugt eine Störung durch die Feuchtigkeit auf der Leiterplatte erfährt.
-
Im zweiten Verfahrensschritt (f) wird das Detektionssignal des zweiten Hochfrequenzsignalpfads (3) von der Vergleichseinheit (4) erfasst, sowie das zugehörige Referenzsignal aus dem Speicherbereich (8) abgerufen.
-
Im dritten Verfahrensschritt (g) wird das Referenzsignal und das Detektionssignal von der Vergleichseinheit (4) miteinander verglichen und ein auf dem Vergleich basierendes Vergleichssignal bereitgestellt. Der Vergleich erfolgt vorzugsweise hinsichtlich der Signalqualität. Ein Vergleichssignal wird beispielsweise über eine Differenzbildung zwischen der Signalqualität des Referenzsignals und des Detektionssignals bereitgestellt.
-
Im vierten Verfahrensschritt (h) wird eine Feuchtigkeit auf der Leiterplatte (1) aus dem bereitgestellten Vergleichssignal ermittelt. Vorteilhafterweise ordnet die Vergleichseinheit (4) über eine Wertetabelle oder empirische Funktion einem Vergleichssignalwert einen Feuchtigkeitswert zu, welcher einer bestimmten Feuchtigkeit auf der Leiterplatte entspricht. Für eine kontinuierliche Detektion von Feuchtigkeit auf der Leiterplatte, werden die Verfahrensschritte (a) - (d) in einer Schleife, z.B. taktgesteuert, wiederholt ausgeführt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Leiterplatte
- 2
- erster Hochfrequenzsignalpfad
- 3
- zweiter Hochfrequenzsignalpfad
- 4
- Vergleichseinheit
- 5
- Signalabzweigung
- 6
- Detektionsstruktur
- 7
- Kapazität
- 8
- Speicherbereich
- a
- Erster Verfahrensschritt eines ersten Verfahrens
- b
- Zweiter Verfahrensschritt eines ersten Verfahrens
- c
- Dritter Verfahrensschritt eines ersten Verfahrens
- d
- Vierter Verfahrensschritt eines ersten Verfahrens
- e
- Erster Verfahrensschritt eines zweiten Verfahrens
- f
- Zweiter Verfahrensschritt eines zweiten Verfahrens
- g
- Dritter Verfahrensschritt eines zweiten Verfahrens
- h
- Vierter Verfahrensschritt eines zweiten Verfahrens
