DE19519099C1 - Resistiver Feuchtesensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor, wobei auf einem nichtleitenden Träger, vorzugsweise der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, Elektroden aufgebracht sind und wobei der Widerstand zwischen den Elektroden von der Menge der auf dem Träger und den Elektroden befindlichen Feuchte abhängig ist.

Resistive Feuchtesensoren werden beispielsweise dafür angewendet, Feuchte bzw. Regentropfen auf der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs zu melden, um Scheibenwischer automatisch oder halbautomatisch zu steuern. Dazu sind auf der Windschutzscheibe oder einer anderen geeigneten Stelle Leiterbahnen aufgebracht, so daß sich der Widerstand zwischen den Leiterbahnen mit der Menge der anfallenden Feuchte verringert.

Ein solcher Feuchtesensor ist aus der DE 40 41 160 C2 bekannt.

Zur Auswertung dieser Widerstandsänderung sind Schaltungsanordnungen zur Widerstandsmessung bekanntgeworden. Dabei ergeben sich jedoch dadurch Probleme, daß eine Widerstandsänderung je Feuchtigkeitsmenge, insbesondere je Tropfen, stark von der Zusammensetzung der auftreffenden Feuchtigkeit abhängt. So verändern beispielsweise gelöste Salze (Streusalz), Säuren (saurer Regen) sowie andere Beimengungen (Schmutz, Verunreinigungen usw.) den Leitwert der zu messenden Feuchtigkeit.

So ist beispielsweise die durch einen salzhaltigen Tropfen bedingte Widerstandsänderung gegenüber einem trocknen Feuchtesensor wesentlich größer als bei vielen Tropfen reinsten Wassers. Ist also eine Schwelle zum Auslösen eines Wischvorganges derart eingestellt, daß bei zahlreichen Regentropfen, welche die Sicht stören, der Wischvorgang beginnt, wird dieser auch ausgelöst, wenn nur ganz wenige salzhaltige Tropfen auf die Windschutzscheibe gelangen.

Darüberhinaus bereitet es je nach Auslegung des Feuchtesensors und einer dazugehörigen Auswerteschaltung Schwierigkeiten zwischen einem oder mehreren gutleitenden Tropfen zu unterscheiden oder bei einer insgesamten niederohmigen Auslegung Tropfen mit geringer Leitfähigkeit zu erkennen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Feuchtesensor anzugeben, dessen Widerstandswert möglichst von der Menge der Feuchte bzw. der Anzahl der Tropfen und weniger von deren spezifischer Leitfähigkeit abhängig ist.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Feuchtesensor dadurch gelöst, daß die Elektroden aus Leiterbahnen hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen, die von einer Widerstandsschicht geringer elektrischer Leitfähigkeit bedeckt sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Feuchtesensor können insbesondere diejenigen Feuchtemengen, die zur Steuerung von Scheibenwischern relevant sind, in zuverlässiger Weise ermittelt werden. Durch die Widerstandsschicht ist der minimal erreichbare Widerstand des vollflächig benetzten Feuchtesensors genau bestimmt und begrenzt. Dabei bleibt eine ausreichende Empfindlichkeit gegenüber hochohmigen Einzeltropfen erhalten, da der zu messende Widerstandsbereich durch die konstruktiven Merkmale des Feuchtesensors begrenzt ist. Der erfindungsgemäße Feuchtesensor liefert damit ein vom Leitwert des auftreffenden Mediums weitgehend unabhängiges, der benetzten Fläche annähernd proportionales Signal.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung bestehen die Leiterbahnen aus Metall und die Widerstandsschichten aus gesintertem Metalloxid. Dabei weisen die Elektroden eine glasartige Oberfläche auf, wodurch einerseits eine hohe Abriebfestigkeit gewährleistet ist und andererseits vorhandene Feuchtetropfen das gleiche Abrißverhalten und die gleiche Form wie auf dem übrigen Teil der Windschutzscheibe aufweisen. Die Messung der Feuchte mit dem erfindungsgemäßen Feuchtesensor erfolgt demnach unter Bedingungen, die auch für die Einschränkung der Sicht durch die Benetzung der Windschutzscheibe gelten.

Der erfindungsgemäße Feuchtesensor kann auch derart ausgebildet sein, daß zwischen der Leitfähigkeit der Leiterbahn und der Widerstandsschicht ein allmählicher Übergang erfolgt. Dieses kann beispielsweise durch Aufbringen einer einzigen Schicht erreicht werden, wobei sichergestellt wird, daß sich beispielsweise während des Sinterungsprozesses eine Schichtung mit dem gewünschten Widerstandsverlauf ergibt, d. h. daß sich die leitenden Partikel vornehmlich unten und die Glaspartikel vornehmlich oben einstellen.

Als Werkstoff für die Widerstandsschichten hat sich Rutheniumoxid als günstig herausgestellt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feuchtesensors besteht darin, daß die Widerstandsschicht einen spezifischen Widerstand von 10 Ωm bis 20 kΩm aufweist. Vorzugsweise weist die Widerstandsschicht eine Stärke von 0,5 µm bis 100 µm auf. Die Leiterbahnen haben einen wesentlich geringeren Widerstand. Bei Verwendung von Silber ergibt sich ein spezifischer Widerstand von 0,045 µΩm.

Für den erfindungsgemäßen Feuchtesensor geeignete Widerstandspasten, die auf den Träger bzw. auf die Leiterbahnen aufgedruckt werden können, werden in der Dickschichttechnik in vielfältiger Weise verwendet und sind auf dem Markt in einem großen Bereich von spezifischen Widerständen erhältlich. In Anbetracht dieser Anwendung werden die Druckpasten durch einen Flächenwiderstand gekennzeichnet, der sich für ein quadratisches Widerstandselement beliebiger Größe bei einer normierten Schichtdicke einstellt. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kommen in Hinblick auf den oben angegebenen Bereich der spezifischen Widerstände vorzugsweise Druckpasten mit Flächenwiderständen zwischen etwa 1 MΩ/Quadrat und etwa 1 GΩ/Quadrat in Frage. Die darunterliegende Leiterbahn weist vorzugsweise einen Widerstandswert von < 10 Ω/Quadrat auf. Ein aus der Dickschichttechnik bekannter Silberleitdruck hat einen Flächenwiderstand von etwa 3 mΩ/Quadrat.

Ein dichtes Abschließen der Leiterbahnen mit Hilfe der Widerstandsschicht ist insbesondere dadurch gegeben, daß die Widerstandsschichten breiter als die Leiterbahnen sind und auf der Oberfläche des nichtleitenden Trägers neben den Leiterbahnen bezüglich ihrer Stärke allmählich auslaufen.

Alternativ kann bei dem erfindungsgemäßen Feuchtesensor auch vorgesehen sein, daß die Widerstandsschicht die Leiterbahnen und Flächen des Trägers zwischen den Leiterbahnen abdeckt. Dadurch entsteht eine homogene Oberfläche des Feuchtesensors, bei deren Aufbringen lediglich dessen äußeren Abmessungen, nicht jedoch die exakten Strukturen der Leiterbahnen zu berücksichtigen sind.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Feuchtesensors besteht darin, daß der nichtleitende Träger eine Glasscheibe ist, daß die Leiterbahnen in Vertiefungen der Oberfläche der Glasscheibe liegen und daß sich die Oberflächen der Widerstandsschichten im wesentlichen in einer Ebene mit der Oberfläche der Glasscheibe befinden.

Diese Weiterbildung hat insbesondere den Vorteil, daß der Wischvorgang mit Hilfe des Scheibenwischers ungestört wie auf der übrigen Fläche der Windschutzscheibe abläuft. Die Vertiefungen können beispielsweise mit Hilfe eines Ätzverfahrens hergestellt werden. Wegen der geringen Tiefe der Vertiefungen und dem anschließenden Verfüllen ist eine Schwächung der Glasscheibe nicht zu befürchten.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zwei davon sind schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 Ersatzschaltbilder von benetzten Feuchtesensoren zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung,

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Feuchtesensors und

Fig. 6 eine Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Feuchtesensors.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In den Fig. 1 und 2 sind die Leiterbahnen und Widerstandsschichten der Anschaulichkeit halber wesentlich überhöht dargestellt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, sind zur Bildung eines Feuchtesensors mit einer genügend großen Fläche zwei Elektroden kammförmig ausgebildet. Der Einfachheit halber sind in den Fig. 1 und 2 lediglich je ein Streifen der beiden Elektroden gezeigt.

Auf einer nur ausschnittsweise dargestellten Windschutzscheibe 1 befinden sich metallische Leiterbahnen 2, 3, die von Widerstandsschichten 4, 5 derart bedeckt sind, daß keine Feuchtigkeit an die Leiterbahnen 2, 3 gelangt.

Die Aufbringung der Leiterbahnen 2, 3 sowie der Widerstandsschichten 4, 5 kann in einfacher Weise durch Druckverfahren erfolgen, worauf zur Sinterung der Widerstandsschichten 4, 5 die Glasplatte mit den aufgebrachten Schichten auf eine Temperatur von etwa 600°C gebracht wird. Als Widerstandsschicht eignen sich handelsübliche Widerstandspasten, insbesondere solche auf Metalloxidbasis.

Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die Elektroden auf die ebene Oberfläche der Windschutzscheibe 1 aufgebracht sind, wurden bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zunächst Vertiefungen in die Oberfläche der Windschutzscheibe 1 geätzt und danach die Leiterbahnen 2, 3 und die Widerstandsschichten 4, 5 aufgebracht.

Fig. 3 zeigt elektrische Ersatzschaltbilder von Feuchtesensoren, die aus Elektroden relativ niedriger Leitfähigkeit (Fig. 3a), aus Elektroden relativ hoher Leitfähigkeit (Fig. 3b) und gemäß der Erfindung aufgebaut sind (Fig. 3c).

Elektroden 11, 12 mit relativ geringer Leitfähigkeit sind in Fig. 3a als Ketten von Widerständen mit jeweils einem Wert von 1 kΩ dargestellt. Je ein Ende dieser Widerstandsketten sind mit einer lediglich schematisch dargestellten Widerstands-Meßeinrichtung 14 verbunden. Ein beide Elektroden berührender Tropfen ist im Ersatzschaltbild als veränderbarer Widerstand 13 dargestellt, da sein Wert je nach Salzgehalt von praktisch OΩ bis in der Größenordnung von 100 kΩ liegen kann. Der gemessene Widerstandswert ist bei diesem Beispiel dementsprechend zwischen 4 kΩ und 104 kΩ/Tropfen. Es zeigen also 26 salzfreie Tropfen die gleiche Wirkung wie ein Tropfen mit hohem Salzgehalt.

Außerdem ändert sich bei dem Feuchtesensor mit dem Ersatzschaltbild nach Fig. 3a der Widerstand nur noch geringfügig, wenn weitere salzhaltige Tropfen beide Elektroden berühren. Verbindet beispielsweise je ein Tropfen am Anfang und am Ende die Elektroden 11, 12, so ergibt sich ein Gesamtwiderstand von 2 kΩ, der sich dann praktisch überhaupt nicht mehr ändert, wenn dazwischen weitere Tropfen auftreffen.

Um den letztgenannten Nachteil des Feuchtesensors nach Fig. 3a zu beheben, können gemäß Fig. 3b Elektroden 16, 17 hoher Leitfähigkeit verwendet werden. Dadurch kann besser unterschieden werden, ob einer oder mehrere salzhaltige Tropfen vorliegen. Es ist jedoch das Verhältnis der Widerstände zwischen den Elektroden bei salzhaltigen und salzfreien Tropfen noch wesentlich größer als bei dem Feuchtesensor nach Fig. 3a. Wenn beispielsweise ein salzhaltiger Tropfen auf den Feuchtesensor gelangt ist, kann mit dem Feuchtesensor praktisch nicht mehr festgestellt werden, ob es regnet.

Das Ersatzschaltbild nach Fig. 3c stellt einen erfindungsgemäßen Feuchtesensor dar, wobei die Leiterbahnen 2, 3 mit der Widerstands-Meßeinrichtung 14 und mit Widerständen 41 bis 4n und 51 bis 5n verbunden sind. Die Widerstände stellen jeweils einen Abschnitt bzw. ein Flächenelement der Widerstandsschicht 4, 5 dar und weisen Werte von jeweils 100 kΩ auf. Werden beispielsweise die von den Widerständen 42, 52 gebildeten Abschnitte von einem Tropfen verbunden, so ergibt sich der meßbare Widerstand aus einer Reihenschaltung aus dem Widerstand 42, dem als Potentiometer 13 dargestellten Tropfen und dem Widerstand 52. In Abhängigkeit vom Salzgehalt und an sich auch von seiner Größe kann der Tropfen einen Widerstand von etwa 0Ω bis 100 kΩ einnehmen. Für den Gesamtwiderstand ergibt sich dann ein Wertebereich zwischen 200 kΩ und 300 kΩ. Damit wird ersichtlich, daß die Abhängigkeit vom Salzgehalt bei dem erfindungsgemäßen Feuchtesensor gegenüber den bekannten Feuchtesensoren wesentlich herabgesetzt werden konnte.

Ein in Fig. 6 schematisch dargestellter Feuchtesensor kann beispielsweise wie im folgenden dargestellt im einzelnen ausgestaltet sein. Als Widerstandsschicht 69 dient eine Schicht aus einer 1-GΩ/Quadrat-Paste mit einem spezifischen Widerstand von 15 kΩm und einer Dicke von 4 µm. Die Leiterbahnen bestehen aus 25 Stegen mit einer Länge von jeweils 12 cm und einer Breite von 1 mm, deren Abstand voneinander 0,4 mm beträgt.

In der Vertikalen, d. h. zwischen einer Leiterbahn und einem auf der Widerstandsschicht befindlichen Tropfen, ergibt sich pro mm² ein Durchgangswiderstand von
R_V = 15000 Ωm · 4 µm/1 mm² = 60 kΩ.

Der von der Widerstandsschicht zwischen den Leiterbahnen - also in horizontaler Richtung - gebildete Widerstand wird wegen der Verschiebung der Kennlinie zwischen Benetzung und resultierendem Widerstand im folgenden als Offset-Widerstand R_O bezeichnet. Seine Größe ergibt sich für das obengenannte Dimensionierungsbeispiel zu
R_O = [15000 Ωm · 0,4 mm]/[(25-1) · 120 mm · 4 um] = 520 kΩ.

Geht man davon aus, daß bereits ein Tropfen mindestens einen Quadratmillimeter, in der Regel sogar mehr, überdeckt, so wird offensichtlich, daß der Offset-Widerstand R_O die Messung als solche nicht beeinträchtigt, jedoch zur Erkennung eines Leitungsbruchs zwischen dem Feuchtesensor und einer Auswerteschaltung verwendet werden kann.

Bei einer vorteilhaften Realisierung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 wird eine 100-MΩ/Quadrat-Paste verwendet, wobei zur Erzielung des gleichen vertikalen Widerstandes eine Schichtstärke von 40 µm erforderlich ist, womit eine höhere Kratzfestigkeit gegeben ist.

Claims (9)

1. Feuchtesensor, wobei auf einem nichtleitenden Träger, vorzugsweise der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, Elektroden aufgebracht sind und wobei der Widerstand zwischen den Elektroden von der Menge der auf dem Träger und den Elektroden befindlichen Feuchte abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Leiterbahnen (2, 3) hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen, die von einer Widerstandsschicht (4, 5) geringer elektrischer Leitfähigkeit bedeckt sind.

2. Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (2, 3) aus Metall und die Widerstandsschichten (4, 5) aus gesinterem Metalloxid bestehen.

3. Feuchtesensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschichten (4, 5) aus Rutheniumoxid bestehen.

4. Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Leitfähigkeit der Leiterbahn und der Widerstandsschicht ein allmählicher Übergang erfolgt.

5. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (4, 5) einen spezifischen Widerstand von 10 Ωm bis 20 kΩm aufweist.

6. Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (4, 5) eine Stärke von 0,5 µm bis 100 µm aufweist.

7. Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschichten (4, 5) breiter als die Leiterbahnen (2, 3) sind und mit der Oberfläche des nichtleitenden Trägers (1) neben den Leiterbahnen (2, 3) die Leiterbahnen (2, 3) gegenüber der Umgebung abdichten.

8. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (64, 69) die Leiterbahnen (62, 63, 67, 68) und Flächen des Trägers (61) zwischen den Leiterbahnen (62, 63, 67, 68) abdeckt.

9. Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtleitende Träger eine Glasscheibe (1) ist, daß die Leiterbahnen (2, 3) in Vertiefungen der Oberfläche der Glasscheibe (1) liegen und daß sich die Oberflächen der Widerstandsschichten (4, 5) im wesentlichen in einer Ebene mit der Oberfläche der Glasscheibe (1) befinden.