WO2005100964A1 - Sensor array and method for measuring dew points based on miniature peltier elements - Google Patents

Sensor array and method for measuring dew points based on miniature peltier elements Download PDF

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WO2005100964A1
WO2005100964A1 PCT/EP2005/004172 EP2005004172W WO2005100964A1 WO 2005100964 A1 WO2005100964 A1 WO 2005100964A1 EP 2005004172 W EP2005004172 W EP 2005004172W WO 2005100964 A1 WO2005100964 A1 WO 2005100964A1
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WO
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dew point
cold side
peltier element
sensor element
temperature
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/004172
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ralf Stich
Jürgen WÖLLENSTEIN
Harald BÖTTNER
Marie-Luise Bauersfeld
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/56—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content
    • G01N25/66—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content by investigating dew-point
    • G01N25/68—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content by investigating dew-point by varying the temperature of a condensing surface

Definitions

  • the present invention relates to a sensor arrangement and to a method for dew point measurement based on miniaturized Peltier elements.
  • dew point sensors and detection methods can be broken down according to their principle into optical sensors or methods (scattered light measurement or reflection measurement), acoustic sensors or methods and capacitive sensors or methods.
  • optical sensors such as dew point mirrors
  • the formation of condensate is recorded optically, wherein either the directly reflected light is measured and an attenuation in intensity is registered in the case of condensation, or the scattered light generated by the condensation is measured.
  • Disadvantages of the optical measuring methods are the high costs and the high sensitivity of the arrangement to impurities: microscopic impurities such as salts can, for example, lead to a change in the water vapor pressure and thus to measurement errors.
  • acoustic dew point sensors and detection methods are based on a similar principle as the dew point mirrors, only that with these sensors or methods the detection of condensation on the cooled surface by surface acoustic wave
  • Such sensors essentially consist of a chip, mostly provided with a comb-shaped toothed electrode structure (so-called interdigital capacitor, in short: IDK) for capacitance measurement, a temperature sensor and a Peltier element for cooling the chip. If water is deposited on the sensor surface, this causes an abrupt change in the sensor capacitance due to its large dielectric constant ⁇ " ⁇ 0 « 81, since the dielectric constant of water is significantly larger than the dielectric constant of air ⁇ »1. To cool the sensor surface to be condensed, Peltier elements are mainly used in the sensor arrangements according to the prior art.
  • the sensor-active components such as the sensor chip or the mirror
  • the Peltier elements for example by gluing.
  • the application of such a sensor-active component results in a large thermal mass of the arrangement, which leads to high time constants in the formation of condensate.
  • the moisture evaporates from the sensor surface as a rule by switching off or heating up the Peltier element. Therefore, the dew point measuring devices or arrangements according to the prior art also have a high time constant for the volatilization of the surface moisture. Overall, the dew point measuring devices according to the prior art thus have a high time constant and a low measuring frequency.
  • dew point meters Another problem with the prior art dew point meters is ice formation. Particularly at high humidity values, the condensed moisture freezes when cooling too quickly and a thin layer of ice forms (see, for example, also the patent specification DE 102 16 895 AI). Due to the low dielectric constant ⁇ ' 5 «3, this layer of ice can only be distinguished with difficulty from the surrounding air, or complex corrections are necessary when using dew point mirrors.
  • Capacitive stray field sensors or dew point measuring arrangements used today also have the disadvantage that only a relatively small capacity will measure. This increases the metrological effort and the susceptibility of the equipment to measurement errors.
  • the object of the sensor arrangement according to the invention and of the measurement method according to the invention is also to increase the measurement sensitivity.
  • dew point sensor element according to claim 1 and a method for determining the dew point according to claim 21.
  • an electrode structure, a temperature sensor and an actively heatable heating element are applied or arranged directly on or immediately adjacent to a Peltier element.
  • the application or arrangement takes place on the cold side of the Peltier element.
  • Miniaturized Peltie elements which are advantageously manufactured using thin-film technology, are particularly suitable. Such are known from DE 198 45 104 AI.
  • the sensor arrangement according to the invention has the advantage that due to its low thermal mass and the resulting short response time (mil lisecond range) the time constant for the formation of condensate can be significantly reduced.
  • the actively heatable heating element directly to the cold side of the Peltier element, the moisture on the surface can also evaporate very quickly and a new measuring cycle can be started very quickly by cooling again. Due to the reduced response time and the shorter evaporation periods, the maximum measuring frequency is significantly increased. This has great advantages, particularly when used in control and regulation processes.
  • the direct application of the sensorically active structures achieves a more compact design of the sensor element, since an additional chip for the electrode structure is no longer necessary.
  • the capacitance to be measured is considerably increased by generating and using an electric field that is as homogeneous as possible for measuring the dielectric constant. This is done by suitable structuring of the electrodes: In order to achieve the highest possible homogeneous proportion of the applied electric field, the value of the ratio of the thickness (in the direction perpendicular to the sensor surface) of the interdigital electrodes to the distance of the individual interdigital electrodes from one another (in Direction parallel to
  • Sensor surface preferably in the range of 0.5 to 10 and is particularly preferably greater than 1.0.
  • Such a thickness-to-spacing ratio can be achieved by the photolithographic structuring of special len photoresists can be achieved with a very high aspect ratio or by special etching processes.
  • the electrically conductive interdigital electrodes are advantageously covered with a thin electrically insulating layer. This prevents short circuits that could be caused by the formation of drops.
  • This thin, electrically insulating layer used for passivation can consist, for example, of polymers or gas-sensitive metal oxides, in particular of SiO 2 or Si 3 N 4 .
  • the thickness-to-distance ratio of the interdigital electrodes according to the invention has the advantage of increased homogeneity of the electrical field used to measure the dielectric constant, as a result of which the capacitance to be measured and the measuring sensitivity are significantly increased. This reduces the measurement effort and the susceptibility to measurement errors.
  • two electrode structures are applied to the cold side of a pelletizing element in order to avoid measurement errors due to the formation of ice, an additional thermally insulating layer being located under one of the electrode structures.
  • This layer has a low specific thermal conductivity. There is no such thermally insulating layer under the other electrode structure.
  • Such an arrangement creates a temperature graph between the two electrode structures during the cooling process. serves, ie the electrode structures are continuously at a different temperature level (the required temperature gradient can be set via the thickness of the thermally insulating layer). For this reason, icing first takes place on the electrode structure without a thermally insulating base (reference electrode).
  • the occurrence of icing on the electrode structure without a thermally insulating base can then be detected using appropriate methods (for example resistive or optical).
  • cooling is continued until icing occurs on the electrode structure without an additional thermally insulating layer.
  • This icing or the time of its entry is determined and the measurement signal or the time of icing determined in this way is used to slow down the cooling process of the Peltier element in such a way that ice formation on the second electrode (in contrast to the electrode structure used as reference electrode without thermal insulating layer is used as the measuring electrode) is prevented.
  • the advantage of this arrangement is the avoidance of measurement errors due to the occurrence of ice formation.
  • dew point sensors according to the invention consist in the fact that a dew point sensor according to the invention does not require any further components and can be produced especially when using thin layer Peltier elements on a waver basis. For this reason, the control and evaluation control electronics can advantageously be integrated monolithically. The latter results in an enormous cost advantage, especially with larger quantities.
  • Dew point sensors according to the invention can be designed or used as described in one of the examples below. In the examples, identical reference numerals are used for the same or corresponding components of the dew point sensors.
  • FIG. 1 shows the basic sensor structure according to the invention.
  • FIG. 2 shows a section through the sensor structure from FIG. 1 for a more detailed explanation of the electrode structure.
  • FIG. 3 shows a layer structure and a sensor arrangement for avoiding measurement errors due to icing.
  • FIG. 4 shows temperature profiles of the arrangement from FIG. 3.
  • FIG. 5 shows a further temperature profile in the arrangement from FIG. 1.
  • FIG. 1 explains the basic structure and the basic sensor arrangement of a dew point sensor according to the invention.
  • a thin-layer Peltier element is sketched in a three-dimensional view. This has a warm side 3 on which a total of five thermoelectric legs 2a made of bismuth telluride
  • thermoelectric unit 2 which consists of the two mentioned or generally of different thermoelectric Materials exists
  • Cold side 1 of the Peltier element is outlined.
  • Cold side 1, thermoelectric unit 2 and hot side 3 of the Peltier element are each shown in simplified form as flat cuboids.
  • the dimension of the thin-film Peltier element shown is 0.6 mm ⁇ 0.6 mm (in general, the dimension mentioned is of a Peltier element used in the context of the invention preferably smaller than 5 mm x 5 mm, preferably smaller than 1 mm x 1 mm and particularly preferably smaller than 1 ⁇ m x 1 ⁇ m).
  • the cold side 1 of the Peltier element consists of a basic structure 1d, which is arranged directly adjacent to the thermoelectric unit 2 above this thermoelectric unit 2.
  • a thin insulation layer la is arranged directly adjacent to the basic structure 1d above the basic structure 1d.
  • the cold side also has a thin functional layer 1b, which is arranged directly adjacent to the insulation layer 1 a above the insulation layer 1 a.
  • the functional layer 1b is applied in order to reduce the obscuration of the sensor surface, as a result of which premature condensate formation and the resulting falsification of the measurement result are suppressed.
  • the insulation layer 1 a here has a thickness of 100 nm and consists of SiO 2 . It can also consist of Si 3 N 4 .
  • the insulation layer la is preferably at least 10 nm and at most 2 ⁇ m, particularly preferably 50 to 300 nm thick. Unless otherwise stated, the term thickness here means the extent in the direction perpendicular to the surface of the cold side 1 or in
  • the functional layer 1b has a thickness of 100 nm. In general, this layer is preferably at least 10 nm and at most 2 ⁇ m thick, particularly preferably between 50 and 300 nm thick.
  • the functional layer 1b consists of a polymer. You can also consist of Si0 2 or quite generally of hydrophobic and / or hydrophilic materials or have them.
  • the basic structure ld consists of Si, but can also consist of ceramic. It is 800 ⁇ m thick. Their thickness is generally preferably between 100 ⁇ m and 4 mm, in particular between 500 ⁇ m and 1000 ⁇ m.
  • an electrode structure 4, an actively heatable heating element 5 and a temperature sensor 6 are arranged directly adjacent to or directly on the functional layer 1b.
  • the active heating element 5 is arranged on the open side of the "U”.
  • the control contacts of the temperature sensor 6 can be seen as thickened portions.
  • the two thickened portions at the ends of the U-shaped active heating element 5 are also control or connection contacts.
  • the electrode structure 4 consists of two individual comb-shaped electrodes 4a and 4b.
  • Electrodes 4a and 4b are offset from one another so that their ends or the “prongs” of the comb structure interlock zipper-like.
  • the individual ends of the comb-shaped electrodes 4a and 4b appear alternately next to each other.
  • the electrodes 4a and 4b likewise have a thickening (control contact).
  • the electrodes 4a and 4b are made of platinum, the active heating element 5 is made of platinum and the temperature sensor 6 is also made of platinum.
  • the basis of the sensor element shown is the miniaturized Peltier element 1, 2, 3, since the basic structure ld of the cold side consists of an electrically conductive material (since the present Peltier element is made in a thin layer), the thin insulation layer 1 a is applied to avoid electrical short circuits.
  • the thin functional layer 1b is located directly on the insulation layer 1a, on which the structures 4, 5 and 6 are in turn applied directly.
  • the electrode structures 4 are thus located directly on the cold side 1 of the Peltier element.
  • the active heating element 5 and the temperature sensor 6 for determining the current surface temperature are also located directly on the cold side 1.
  • FIG. 2 as a section in the plane AA through the arrangement shown in Figure 1 (section plane perpendicular to the surface of the sensor element) shows the electrode structure 4 in more detail.
  • FIG Section shows the sectional illustration in FIG Section through the active heating element 5 and through the temperature sensor 6 not shown.
  • not all of the cut electrode sections of the electrodes 4a and 4b are shown.
  • Several electrode sections 4 arranged side by side are shown directly on the thin functional layer 1b. Due to the zipper-like interlocking of the electrodes 4a and 4b (see FIG. 1), the electrode sections shown alternately belong to the electrode 4a and the electrode 4b.
  • the electrodes or electrode sections are provided with a thin insulation layer 4c.
  • the insulation layer 4c completely surrounds the electrodes or electrode sections with the exception of the side of the electrodes directly adjacent to the functional layer 1b.
  • the insulation layer 4c is a polymer-based insulator layer.
  • the thickness of the electrodes or the electrode structures 4a, 4b in the direction perpendicular to the sensor surface is identified by d.
  • the distance between two adjacent electrode structures 4a and 4b in the section plane AA is identified by a.
  • the electrodes are structured in the case shown so that they have a thickness-to-distance ratio d / a of almost 1 or higher.
  • the ratio d / a is 4.0.
  • the measurement effect is caused primarily by changing the homogeneous field component and not as in the known arrangements the state of the art by changing the stray field capacity. This enables a larger measurement effect and more precise measurement results.
  • the electrodes 4 are provided with the thin electrically insulating layer 4c in order to avoid short circuits due to excessively large water drops. In the arrangement shown in FIGS.
  • the point in time at which the moisture in the ambient air condenses can be determined on the basis of a change in capacitance of the electrodes 4a and 4b applied to the sensor surface or cold side 1 of the Peltier element. As an alternative to this, this point in time can also be determined on the basis of a change in resistance of the electrodes 4a and 4b. Another possibility is to determine the point in time using optical methods which are used on the sensor surface (for example measurement of reflected light or of scattered light). With the active heating element 5, the sensor surface is heated in order to evaporate moisture condensed on the surface again.
  • the heating element 5 can be controlled and operated independently of the Peltier element 1, 2, 3.
  • FIG. 3 shows a further sensor arrangement according to the invention, which serves to avoid measurement errors due to icing. Except for a second active structure (consisting of electrode structure, heating element and temperature sensor) and an additional thermally insulating layer, the arrangement shown is basically identical to the arrangement shown in FIGS. 1 and 2.
  • the additional thermal iso- layer lc is arranged on one half of the surface of the Peltier element or its cold side 1 between the electrically insulating layer la and the functional layer 1b and immediately adjacent to these two layers. In the half of the Peltier element shown on the right in FIG.
  • the cold side 1 of the Peltier element has a three-layer structure consisting of basic structure Id, electrically insulating layer 1a and functional layer Ib (as in the sensor arrangement shown in FIGS. 1 and 2).
  • the thermal insulation layer 1c introduced between the electrically insulating layer 1 a and the functional layer 1 b in the right half of the sensor arrangement shown has a thickness adapted to the required temperature gradient (in the direction perpendicular to the sensor surface).
  • the thermal insulation layer 1c is thus to be designed in such a way that the required temperature gradient is set via its layer thickness.
  • a first active structure consisting of a first electrode structure 4 (with two electrodes 4a and 4b) is located above the functional layer 1b and directly adjacent to it in the partial region 1A or in the non-insulation region. arranged first active heating element 5 and first temperature sensor 6.
  • a second active structure consisting of a second electrode structure 4 ', a second active heating element 5' and a second temperature sensor 6 ' is arranged immediately adjacent to the functional layer 1b.
  • the two active structures 4, 5, 6 and 4 ', 5', 6 ' correspond in their structure and in their arrangement or in their geometry to the corresponding elements shown in FIGS. 1 and 2.
  • the electrode structure 4 of the partial area 1A serves as a reference electrode structure.
  • the electrode structure 4 'of the partial area 1B serves as a measuring electrode structure.
  • the additional thermally insulating layer 1c is thus located in the layer structure below the second electrode structure 4 'or the measuring electrode structure 4'.
  • the thermal insulating layer 1c which is only introduced in the area of the measuring electrode structure 4 ', creates a temperature gradient between the measuring electrode 4' and the reference electrode 4 during the cooling process. Due to this temperature difference or temperature gradient, the reference electrode 4 first icing instead. The occurrence of ice formation on the reference electrode 4 is determined using appropriate methods (for example using resistive methods) and serves as a signal for slowing down the cooling process.
  • the further cooling of the sensor element is slowed down from this point in time so that icing of the measuring electrode 4 ′ is prevented. It is important to ensure that Peltier element 1, 2, 3 is not operated in pulse mode.
  • the Peltier element 1, 2, 3 is advantageously operated with a ramp-shaped current during the cooling process, as is shown in FIG. 4 (see below). Due to the constant cooling of the sensor structures in the case of the ramp-shaped current, there is no temperature compensation between the measuring electrode 4 'and the reference electrode 4, as a result of which the temperature gradient is maintained.
  • FIG. 4 shows a temperature profile over time in the sensor arrangement shown in FIG. 3 with measuring electrode and reference electrode. The time course during or over the cooling process is shown.
  • the diagrams shown show the time t on the abscissa and the temperature of the Peltier element P (FIG. 4A) or the measuring electrode M and the reference electrode R (FIG. 4B) in Kelvin (T [K]) on the ordinate.
  • the electrodes M and R or the Peltier element P are shaped by a ramp Electricity (cooling capacity in the Peltier element proportional to the current) cooled until icing (ice point) takes place on the reference electrode R by the time t 0 .
  • the temperature T of the ice point is identified in the diagram in FIG. 4B by E p .
  • the cooling of the Peltier element or the electrodes is slowed down (visible from the smaller slope of the temperature curve in the time range t:> t 0 compared to the time range t ⁇ t 0 ). From time t 0 , the cooling thus proceeds more slowly until the desired condensation finally occurs on the measuring electrode M (time ti) and the dew point can thus be determined via the temperature T p of the measuring electrode M at this time tx.
  • the measuring cycle begins with a cooling phase of the miniaturized Peltier element 1, 2, 3. Because of the cooling, ice is first formed on the reference electrode 4 (especially with high humidity values).
  • the cooling process then follows so far continued to slow down until condensation occurs at the measuring electrode 4 '(time ti).
  • This condensation process is determined in the case shown by the increase in capacitance of the measuring electrode 4 '.
  • the dew point T P or the temperature T p present at the dew point is determined with the aid of the temperature sensor 6 '.
  • the Peltier element is switched off immediately and the surface moisture is evaporated by means of the activated heating element 5 ', and the ice layer is thawed and likewise evaporated by means of the activated heating element 5.
  • the measurement cycle described then begins again.
  • FIG. 5 serves to describe a further possible operating mode of the dew point sensor element shown in FIG. 1.
  • Such an operating mode even if it is described below with reference to the dew point sensor element shown in FIG. 1, is also possible with the dew point sensor element shown in FIG. 3.
  • FIG. 5A shows the course KP of the cooling power in the Peltier element 1, 2, 3 over the time t and the course of the heating power HH on the heating element 5 over the time t in the sensor arrangement shown in FIG.
  • the horizontal line KP for the Peltier element or the designation “on” was chosen to indicate that a constant cooling power is being used for the Peltier element 1, 2, 3.
  • the cooling capacity is selected so that when the heating element 5 is switched off, the temperature of the sensor surface is kept constant below the dew point temperature T p . In contrast, the heating element 5 is not operated or heated in the time interval [0, t 0 ]
  • Heating power 0 watt (Heating power 0 watt, symbolized by the designation “off”).
  • the active heating element 5 is then switched on or the heating power HH 0 is expended. This heating power HH 0 is maintained during the time interval [t 0 , ti] of
  • the heating power is reduced at a constant rate, so that the heating power is 0 watt again at time t 2 . No heating power is then used for the period t> t 2 .
  • the cooling power KP used for the Peltier element 1, 2, 3 is now selected as described so that the sensor surface of the dew point sensor element (more precisely the surface on which the active structures 4, 5, 6 are located, i.e. the cold side 1) is miniaturized Peltier element 1, 2, 3 is kept constant below the dew point temperature T p .
  • the measurement or, in the case of repeated measurement, the measurement cycle
  • the said sensor surface is heated above the dew point temperature T p .
  • the heating takes place in such a way that there is no more condensation on the measuring electrode 4 after the heating has been completed.
  • FIG. 5B in which the temperature T of the measuring electrode M is plotted in Kelvin over time. Before the sensor surface is heated, the temperature of the measuring electrode is T 0 . At time t 0 (at which the
  • Heating element 5 is switched on) the measuring electrode M begins to heat up. This leads to a constant rise in the temperature of the measuring electrode M in the time interval [t 0 , ti] up to the temperature Ti above the dew point temperature T p .
  • the temperature of the measuring electrode M slowly and linearly decreases during the time interval [ti, t 2 ].
  • Heating element thus slowly cools the sensor surface during this time interval and it comes to Condensation on electrode 4: This occurs at time t p .
  • This condensation process is then, as described above for FIG. 4, determined by the increase in capacitance of the measuring electrode 4.
  • the dew point T p or the temperature T p present at the dew point is then determined using the temperature sensor 6.
  • the temperature of the measuring electrode then again has the constant temperature T 0 below the temperature T p for the times t> t 2 . After such a measurement has taken place, the sensor surface can be heated again by the heating element 5 and the measurement cycle described above can thus be started again.
  • the temperature is regulated via the heating element 5 (which is arranged directly on the sensor surface) and not via the Peltier element 1, 2, 3 as described above in FIG. 4, the individual measuring cycles can be carried out more quickly become. The measurement rate can thus be increased.

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Abstract

The invention relates to a method and a sensor array for measuring dew points based on miniature peltier elements. An inventive dew point sensor comprises a peltier element (1, 2, 3), an electrode structure (4), a temperature sensor (6), and an actively heatable heating element (5) and is characterized in that the electrode structure (4), the temperature sensor (6), and the heating element (5) are disposed immediately on the peltier element (1, 2, 3) or immediately adjacent to the same on the cold side thereof.

Description

Sensoranordnung sowie Verfahren zur Taupunktmessung auf Basis von miniaturisierten Peltierelementen Sensor arrangement and method for dew point measurement based on miniaturized Peltier elements
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sen- soranordnung sowie auf ein Verfahren zur Taupunktmessung auf Basis von miniaturisierten Peltierelementen.The present invention relates to a sensor arrangement and to a method for dew point measurement based on miniaturized Peltier elements.
Sensoranordnungen und Verfahren zur Taupunktmessung bzw. zur Bestimmung des Zeitpunkts einer eintretenden Kondensation von Feuchtigkeit in der Umgebungsluft sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt . Die bekannten Taupunktsensoren bzw. -nachweisverfahren lassen sich nach ihrem Prinzip in optische Sensoren bzw. Verfahren (Streulichtmessung bzw. Reflektions- messung) , akustische Sensoren bzw. Verfahren und kapazitive Sensoren bzw. Verfahren untergliedern.Sensor arrangements and methods for dew point measurement or for determining the point in time of the occurrence of condensation of moisture in the ambient air are already known from the prior art. The known dew point sensors and detection methods can be broken down according to their principle into optical sensors or methods (scattered light measurement or reflection measurement), acoustic sensors or methods and capacitive sensors or methods.
Bei den optischen Sensoren (wie z.B. bei Taupunktspiegeln) wird die Kondensatbildung optisch erfasst, wobei entweder das direkt reflektierte Licht gemessen und eine Intensitätsabschwächung bei Kondensation registriert wird oder das durch die Kondensation erzeugte Streulicht gemessen wird. Nachteile der optischen Messverfahren sind die hohen Kosten sowie die hohe Empfindlichkeit der Anordnung gegenüber Verunreinigungen: Mikroskopische Verunreinigungen wie Salze können beispielsweise zu einer Änderung des Wasserdampfdruckes und somit zu Messfehlern führen.With optical sensors (such as dew point mirrors), the formation of condensate is recorded optically, wherein either the directly reflected light is measured and an attenuation in intensity is registered in the case of condensation, or the scattered light generated by the condensation is measured. Disadvantages of the optical measuring methods are the high costs and the high sensitivity of the arrangement to impurities: microscopic impurities such as salts can, for example, lead to a change in the water vapor pressure and thus to measurement errors.
Die akustischen Taupunktsensoren bzw. -nachweisverfahren basieren auf einem ähnlichen Prinzip wie die Taupunktspiegel , nur dass bei diesen Sensoren bzw. Verfahren die Detektion der Kondensation auf der ge- kühlten Oberfläche durch Surface-Acoustic-Wave-The acoustic dew point sensors and detection methods are based on a similar principle as the dew point mirrors, only that with these sensors or methods the detection of condensation on the cooled surface by surface acoustic wave
Technology (kurz: SAW) erfolgt. Nachteile dieser Sensoren bzw. Verfahren bestehen in der komplizierten Messtechnik, die für die Auswertung des Messsignals notwendig ist .Technology (short: SAW) takes place. Disadvantages of these sensors and methods are the complicated measurement technology that is necessary for the evaluation of the measurement signal.
Bei den kapazitiven Sensoren bzw. Verfahren wird die Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante im Streufeld eines Kondensators bei der Betauung des Umfeldes ausgewertet. Solche Sensoren bestehen im We- sentlichen aus einem Chip, meist versehen mit einer kammförmig verzahnten Elektrodenstruktur (sogenannter Interdigitalkondensator, kurz: IDK) für die Kapazi- tätsmessung, einem Temperaturfühler sowie einem Peltierelement zur Kühlung des Chips. Schlägt sich Was- ser auf der Sensoroberfläche nieder, verursacht dieses aufgrund seiner großen Dielektrizitätskonstante ε"ϊ0 «81 eine schlagartige Änderung der Sensorkapazität, da die Dielektrizitätskonstante von Wasser wesentlich größer als die Dielektrizitätskonstante von Luft ist ^»1. Zur Kühlung der zu betauenden Sensoroberfläche werden bei den Sensoranordnungen nach dem Stand der Technik hauptsächlich Peltierelemente eingesetzt. Dazu werden die sensorisch aktiven Bauelemente (wie z.B. der Sen- sorchip bzw. die Spiegel) auf den Peltierelementen aufgebracht bzw. befestigt (beispielsweise durch Aufkleben) . Durch das Aufbringen eines solchen sensorisch aktiven Bauelementes (beispielsweise des Spiegels bzw. des Sensorchips) ergibt sich eine große thermische Masse der Anordnung, welche zu hohen Zeitkonstanten bei der Kondensatbildung führt . Das Verdunsten der Feuchtigkeit von der Sensoroberfläche geschieht in der Regel durch Abschalten oder Aufheizen des Peltierelementes . Daher ergibt sich für die Tau- punktmessgeräte bzw. Anordnungen nach dem Stand der Technik auch eine hohe Zeitkonstante für die Verflüchtigung der Oberflächenfeuchtigkeit. Insgesamt ergibt sich somit für die Taupunktmessgeräte nach dem Stand der Technik eine hohe Zeitkonstante und eine niedrige Messfrequenz.In the case of capacitive sensors or methods, the change in the relative dielectric constant in the stray field of a capacitor is evaluated when the environment is thawed. Such sensors essentially consist of a chip, mostly provided with a comb-shaped toothed electrode structure (so-called interdigital capacitor, in short: IDK) for capacitance measurement, a temperature sensor and a Peltier element for cooling the chip. If water is deposited on the sensor surface, this causes an abrupt change in the sensor capacitance due to its large dielectric constant ε " ϊ0 « 81, since the dielectric constant of water is significantly larger than the dielectric constant of air ^ »1. To cool the sensor surface to be condensed, Peltier elements are mainly used in the sensor arrangements according to the prior art. For this purpose, the sensor-active components (such as the sensor chip or the mirror) are applied or attached to the Peltier elements (for example by gluing). The application of such a sensor-active component (for example the mirror or the sensor chip) results in a large thermal mass of the arrangement, which leads to high time constants in the formation of condensate. The moisture evaporates from the sensor surface as a rule by switching off or heating up the Peltier element. Therefore, the dew point measuring devices or arrangements according to the prior art also have a high time constant for the volatilization of the surface moisture. Overall, the dew point measuring devices according to the prior art thus have a high time constant and a low measuring frequency.
Ein weiteres Problem bei den Taupunktmessgeräten nach dem Stand der Technik ist die Eisbildung. Besonders bei hohen Feuchtewerten gefriert bei zu schneller Ab- kühlung die kondensierte Feuchtigkeit und es bildet sich eine dünne Eisschicht (siehe hierzu beispielsweise auch die Patentschrift DE 102 16 895 AI) . Diese Eisschicht kann aufgrund der geringen Dielektrizitätskonstante ε '5 «3 nur schwer von der umgebenden Luft unterschieden werden bzw. bei der Verwendung von Taupunktspiegeln sind aufwendige Korrekturen notwendig.Another problem with the prior art dew point meters is ice formation. Particularly at high humidity values, the condensed moisture freezes when cooling too quickly and a thin layer of ice forms (see, for example, also the patent specification DE 102 16 895 AI). Due to the low dielectric constant ε ' 5 «3, this layer of ice can only be distinguished with difficulty from the surrounding air, or complex corrections are necessary when using dew point mirrors.
Heutzutage verwendete kapazitive Streufeldsensoren bzw. Taupunktmessanordnungen haben darüber hinaus den Nachteil, dass nur eine relativ geringe Kapazität ge- messen wird. Hierdurch erhöht sich der messtechnische Aufwand sowie die Anfälligkeit der Apparaturen für Messfehler.Capacitive stray field sensors or dew point measuring arrangements used today also have the disadvantage that only a relatively small capacity will measure. This increases the metrological effort and the susceptibility of the equipment to measurement errors.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ausgehend vom Stand der Technik, eine Sensoranordnung zur Taupunktmessung und ein entsprechendes Taupunkt- messverfahren zur Verfügung zu stellen, welche bzw. welches eine deutlich reduzierte Ansprechzeit bzw. eine deutlich erhöhte Messfrequenz erlaubt. Aufgabe der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und des erfindungsgemäßen Messverfahrens ist darüber hinaus eine Erhöhung der Messempfindlichkeit.It is therefore an object of the present invention, starting from the prior art, to provide a sensor arrangement for dew point measurement and a corresponding dew point measurement method which allows a significantly reduced response time or a significantly increased measurement frequency. The object of the sensor arrangement according to the invention and of the measurement method according to the invention is also to increase the measurement sensitivity.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Taupunkt- sensorelement gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Taupunktbestimmung nach Patentanspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensors sowie des erfindungsgemäßen Verfah- rens werden in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen beschrieben.The object according to the invention is achieved by a dew point sensor element according to claim 1 and a method for determining the dew point according to claim 21. Advantageous further developments of the sensor according to the invention and of the method according to the invention are described in the respective dependent claims.
Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung werden eine Elektrodenstruktur, ein Temperaturfühler und ein ak- tiv beheizbares Heizelement direkt auf bzw. unmittelbar angrenzend an ein Peltierelement aufgebracht bzw. angeordnet. Das Aufbringen bzw. die Anordnung geschieht hierbei auf der Kaltseite des Peltierelemen- tes. Besonders geeignet sind miniaturisierte Peltie- relemente, welche vorteilhafterweise in Dünnschichttechnik gefertigt sind. Solche sind aus der DE 198 45 104 AI bekannt.In the sensor arrangement according to the invention, an electrode structure, a temperature sensor and an actively heatable heating element are applied or arranged directly on or immediately adjacent to a Peltier element. The application or arrangement takes place on the cold side of the Peltier element. Miniaturized Peltie elements, which are advantageously manufactured using thin-film technology, are particularly suitable. Such are known from DE 198 45 104 AI.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung hat den Vorteil, dass aufgrund ihrer geringen thermischen Masse und der daraus resultierenden geringen Ansprechzeit (Mil- lisekundenbereich) die Zeitkonstante für die Kondensatbildung erheblich reduziert werden kann. Durch das Aufbringen des aktiv beheizbaren Heizelementes direkt auf die Kaltseite des Peltierelementes kann zudem die Feuchtigkeit auf der Oberfläche sehr schnell verdunstet werden und durch ein erneutes Abkühlen wiederum sehr schnell ein neuer Messzyklus begonnen werden. Aufgrund der reduzierten Ansprechzeit und der verkürzten Verdunstungsperioden wird die maximale Messfrequenz somit deutlich gesteigert. Dies bringt speziell bei Einsätzen in Steuerungs- und Regelvorgängen große Vorteile. Zudem wird durch das direkte Aufbringen der sensorisch aktiven Strukturen (Elektrodenstruktur sowie Temperaturfühler und Heizelement) eine kompaktere Bauform des Sensorelementes erreicht, da kein zusätzlicher Chip für die Elektrodenstruktur mehr notwendig ist.The sensor arrangement according to the invention has the advantage that due to its low thermal mass and the resulting short response time (mil lisecond range) the time constant for the formation of condensate can be significantly reduced. By applying the actively heatable heating element directly to the cold side of the Peltier element, the moisture on the surface can also evaporate very quickly and a new measuring cycle can be started very quickly by cooling again. Due to the reduced response time and the shorter evaporation periods, the maximum measuring frequency is significantly increased. This has great advantages, particularly when used in control and regulation processes. In addition, the direct application of the sensorically active structures (electrode structure as well as temperature sensor and heating element) achieves a more compact design of the sensor element, since an additional chip for the electrode structure is no longer necessary.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Sensorelementes wird durch Erzeugung und Verwendung eines möglichst homogenen elektrischen Feldes zur Messung der Dielektrizitätskonstanten die zu messende Kapazität erheblich erhöht. Dies geschieht durch eine geeignete Strukturierung der Elektroden: Um einen möglichst hohen homogenen Anteil des angelegten elektrischen Feldes zu erreichen, liegt der Wert des Verhältnisses der Dicke (in Richtung senkrecht zur Sensoroberfläche) der Interdigi- talelektroden zum Abstand der einzelnen Interdigital - elektroden voneinander (in Richtung parallele zurIn an advantageous embodiment of the sensor element according to the invention, the capacitance to be measured is considerably increased by generating and using an electric field that is as homogeneous as possible for measuring the dielectric constant. This is done by suitable structuring of the electrodes: In order to achieve the highest possible homogeneous proportion of the applied electric field, the value of the ratio of the thickness (in the direction perpendicular to the sensor surface) of the interdigital electrodes to the distance of the individual interdigital electrodes from one another (in Direction parallel to
Sensoroberfläche) vorzugsweise im Bereich von 0.5 bis 10 und ist hierbei insbesondere bevorzugt größer als 1.0.Sensor surface) preferably in the range of 0.5 to 10 and is particularly preferably greater than 1.0.
Ein solches Dicken- zu-Abstandsverhältnis kann durch die photolithographische Strukturierung von speziel- len Photoresists mit einem sehr hohen Aspektverhältnis oder durch besondere Ätzverfahren erreicht werden.Such a thickness-to-spacing ratio can be achieved by the photolithographic structuring of special len photoresists can be achieved with a very high aspect ratio or by special etching processes.
Aufgrund dieses erfindungsgemäßen Dicken-zu-Because of this thickness-to-
Abstandsverhältnisses der Interdigitalelektroden sind die elektrisch leitenden Interdigitalelektroden vorteilhafterweise mit einer dünnen elektrisch isolierenden Schicht bedeckt. Hierdurch werden Kurzschlüs- se, welche durch Tropfenbildung verursacht werden könnten, verhindert. Diese zur Passivierung verwendete dünne elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise aus Polymeren oder gassensitiven Metall- oxiden, insbesondere aus Si02 oder Si3N4 bestehen. Das erfindungsgemäße Dicken-zu-Abstandsverhältnis der Interdigitalelektroden hat den Vorteil einer erhöhten Homogenität des zur Messung der Dielektrizitätskonstanten verwendeten elektrischen Feldes, wodurch die zu messende Kapazität sowie die Messemp- findlichkeit deutlich erhöht werden. Hierdurch reduziert sich der messtechnische Aufwand sowie die Anfälligkeit für Messfehler.Distance ratio of the interdigital electrodes, the electrically conductive interdigital electrodes are advantageously covered with a thin electrically insulating layer. This prevents short circuits that could be caused by the formation of drops. This thin, electrically insulating layer used for passivation can consist, for example, of polymers or gas-sensitive metal oxides, in particular of SiO 2 or Si 3 N 4 . The thickness-to-distance ratio of the interdigital electrodes according to the invention has the advantage of increased homogeneity of the electrical field used to measure the dielectric constant, as a result of which the capacitance to be measured and the measuring sensitivity are significantly increased. This reduces the measurement effort and the susceptibility to measurement errors.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvarian- te werden zur Vermeidung von Messfehlern aufgrund eintretender Eisbildung erfindungsgemäß zwei Elektrodenstrukturen, vorteilhafterweise zwei identische Elektrodenstrukturen, auf die Kaltseite eines Pel- tierelements aufgebracht, wobei sich unter einer der Elektrodenstrukturen eine zusätzliche thermisch isolierende Schicht befindet. Diese Schicht weist eine geringe spezifische Wärmeleitfähigkeit auf. Unter der anderen Elektrodenstruktur befindet sich keine solche thermisch isolierende Schicht. Durch eine solche An- Ordnung entsteht während des Abkühlvorgangs zwischen den beiden Elektrodenstrukturen ein Temperaturgra- dient, d.h. die Elektrodenstrukturen befinden sich kontinuierlich auf einem unterschiedlichen Temperaturniveau (der benötigte Temperaturgradient kann über die Dicke der thermisch isolierenden Schicht einge- stellt werden) . Aus diesem Grund findet eine Vereisung zuerst auf der Elektrodenstruktur ohne thermisch isolierende Unterlage statt (Referenzelektrode) . Der Eintritt der Vereisung auf der Elektrodenstruktur ohne thermisch isolierende Unterlage kann dann mit ent- sprechenden Verfahren (beispielsweise resistiv oder optisch) detektiert werden. Bei der beschriebenen Anordnung wird solange abgekühlt, bis auf der Elektrodenstruktur ohne zusätzliche thermisch isolierende Schicht eine Vereisung eintritt. Diese Vereisung bzw. deren Eintrittszeitpunkt wird bestimmt und das solchermaßen bestimmte Messsignal bzw. der Zeitpunkt der Vereisung wird dazu verwendet, den Abkühlprozess des Peltierelementes so zu verlangsamen, dass eine Eisbildung auf der zweiten Elektrode (die im Gegensatz zu der als Referenzelektrode verwendeten Elektrodenstruktur ohne thermisch isolierende Schicht als Messelektrode verwendet wird) verhindert wird. Vorteil dieser Anordnung ist, wie bereits beschrieben die Vermeidung von Messfehlern aufgrund von eintre- tender Eisbildung.In a further advantageous embodiment variant, according to the invention, two electrode structures, advantageously two identical electrode structures, are applied to the cold side of a pelletizing element in order to avoid measurement errors due to the formation of ice, an additional thermally insulating layer being located under one of the electrode structures. This layer has a low specific thermal conductivity. There is no such thermally insulating layer under the other electrode structure. Such an arrangement creates a temperature graph between the two electrode structures during the cooling process. serves, ie the electrode structures are continuously at a different temperature level (the required temperature gradient can be set via the thickness of the thermally insulating layer). For this reason, icing first takes place on the electrode structure without a thermally insulating base (reference electrode). The occurrence of icing on the electrode structure without a thermally insulating base can then be detected using appropriate methods (for example resistive or optical). In the arrangement described, cooling is continued until icing occurs on the electrode structure without an additional thermally insulating layer. This icing or the time of its entry is determined and the measurement signal or the time of icing determined in this way is used to slow down the cooling process of the Peltier element in such a way that ice formation on the second electrode (in contrast to the electrode structure used as reference electrode without thermal insulating layer is used as the measuring electrode) is prevented. As already described, the advantage of this arrangement is the avoidance of measurement errors due to the occurrence of ice formation.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen TaupunktSensoren bestehen darin, dass ein erfindungsgemäßer Taupunktsensor keine weiteren Bauteile benötigt und spe- ziell bei Verwendung von Dünnschichtpeltierelementen auf Waverbasis produziert werden kann. Aus diesem Grund kann vorteilhafterweise die Ansteuer- und Auswertesteuerelektronik monolithisch integriert werden. Letzteres bewirkt vor allem bei höheren Stückzahlen einen enormen Kostenvorteil. Erfindungsgemäße Taupunktsensoren können wie in einem der nachfolgenden Beispiele beschrieben ausgeführt sein oder verwendet werden. In den Beispielen werden für dieselben oder sich entsprechenden Bestandteile bzw. Bauteile der Taupunktsensoren identische Bezugszeichen verwendet.Further advantages of the dew point sensors according to the invention consist in the fact that a dew point sensor according to the invention does not require any further components and can be produced especially when using thin layer Peltier elements on a waver basis. For this reason, the control and evaluation control electronics can advantageously be integrated monolithically. The latter results in an enormous cost advantage, especially with larger quantities. Dew point sensors according to the invention can be designed or used as described in one of the examples below. In the examples, identical reference numerals are used for the same or corresponding components of the dew point sensors.
Es zeigt Figur 1 den prinzipiellen erfindungsgemäßen Sensoraufbau .FIG. 1 shows the basic sensor structure according to the invention.
Es zeigt Figur 2 einen Schnitt durch den Sensoraufbau von Figur 1 zur näheren Erläuterung der Elektrodenstruktur.FIG. 2 shows a section through the sensor structure from FIG. 1 for a more detailed explanation of the electrode structure.
Es zeigt Figur 3 einen Schichtaufbau und eine Sensoranordnung zur Vermeidung von Messfehlern aufgrund von Vereisung.FIG. 3 shows a layer structure and a sensor arrangement for avoiding measurement errors due to icing.
Es zeigt Figur 4 Temperaturverläufe der Anordnung aus Figur 3.FIG. 4 shows temperature profiles of the arrangement from FIG. 3.
Es zeigt Figur 5 einen weiteren Temperaturverlauf bei der Anordnung aus der Figur 1.FIG. 5 shows a further temperature profile in the arrangement from FIG. 1.
Figur 1 erläutert den prinzipiellen Aufbau und die prinzipielle Sensoranordnung eines erfindungsgemäßen Taupunktsensors. In dreidimensionaler Ansicht ist zunächst ein Dünnschichtpeltierelement skizziert. Dieses weist eine Warmseite 3 auf, auf der insgesamt fünf thermoelektrische Schenkel 2a aus WismuttelluridFigure 1 explains the basic structure and the basic sensor arrangement of a dew point sensor according to the invention. A thin-layer Peltier element is sketched in a three-dimensional view. This has a warm side 3 on which a total of five thermoelectric legs 2a made of bismuth telluride
Bi2Te3 und fünf thermoelektrische Schenkel 2b aus Bleitellurid in Form langgestreckter Quader jeweils abwechselnd an ihren Langseiten miteinander in Reihenschaltung verbunden sind. Auf der ther oelektri- sehen Einheit 2 (welche aus den beiden genannten oder allgemein aus unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien besteht) ist die Kaltseite 1 des Peltierelementes skizziert. Kaltseite 1, thermoelektrische Einheit 2 und Warmseite 3 des Peltierelementes sind jeweils vereinfacht als flache Quader dargestellt. Die Dimension des gezeigten Dünnschichtpeltierele- ments (Größe der Oberfläche bzw. der Kaltseite 1 in der Ebene senkrecht zur Richtung von Warmseite 3 zu Kaltseite 1) beträgt 0.6 mm x 0.6 mm (generell beträgt die genannte Dimension eines im Rahmen der Er- findung eingesetzten Peltierelementes bevorzugt kleiner 5 mm x 5 mm, bevorzugt kleiner als 1 mm x 1 mm und insbesondere bevorzugt kleiner als 1 μm x 1 μm) .Bi 2 Te 3 and five thermoelectric legs 2b made of lead telluride in the form of elongated cuboids are alternately connected in series on their long sides. On the thermoelectric unit 2 (which consists of the two mentioned or generally of different thermoelectric Materials exists), the cold side 1 of the Peltier element is outlined. Cold side 1, thermoelectric unit 2 and hot side 3 of the Peltier element are each shown in simplified form as flat cuboids. The dimension of the thin-film Peltier element shown (size of the surface or the cold side 1 in the plane perpendicular to the direction from the warm side 3 to the cold side 1) is 0.6 mm × 0.6 mm (in general, the dimension mentioned is of a Peltier element used in the context of the invention preferably smaller than 5 mm x 5 mm, preferably smaller than 1 mm x 1 mm and particularly preferably smaller than 1 μm x 1 μm).
Die Kaltseite 1 des Peltierelementes besteht aus ei- ner Grundstruktur ld, welche unmittelbar angrenzend an die thermoelektrischen Einheit 2 oberhalb dieser thermoelektrischen Einheit 2 angeordnet ist. Unmittelbar angrenzend an die Grundstruktur ld ist oberhalb der Grundstruktur ld eine dünne Isolations- schicht la angeordnet. Die Kaltseite weist darüber hinaus eine dünne funktionale Schicht lb auf, welche unmittelbar angrenzend an die Isolationsschicht la oberhalb der Isolationsschicht la angeordnet ist. Die funktionale Schicht lb ist aufgebracht, um die Bekei- mung der Sensoroberfläche zu reduzieren, wodurch eine vorzeitige Kondensatbildung und eine daraus resultierende Verfälschung des Messergebnisses unterdrückt wird. Die Isolationsschicht la weist hier eine Dicke von 100 nm auf und besteht aus Si02. Sie kann auch aus Si3N4 bestehen. Generell ist die Isolationsschicht la bevorzugt mindestens 10 nm und höchstens 2 μm, insbesondere bevorzugt 50 bis 300 nm dick. Unter dem Begriff Dicke wird hier wie im folgenden sofern nichts anderes gesagt die Ausdehnung in Richtung senkrecht zur Oberfläche der Kaltseite 1 bzw. inThe cold side 1 of the Peltier element consists of a basic structure 1d, which is arranged directly adjacent to the thermoelectric unit 2 above this thermoelectric unit 2. A thin insulation layer la is arranged directly adjacent to the basic structure 1d above the basic structure 1d. The cold side also has a thin functional layer 1b, which is arranged directly adjacent to the insulation layer 1 a above the insulation layer 1 a. The functional layer 1b is applied in order to reduce the obscuration of the sensor surface, as a result of which premature condensate formation and the resulting falsification of the measurement result are suppressed. The insulation layer 1 a here has a thickness of 100 nm and consists of SiO 2 . It can also consist of Si 3 N 4 . In general, the insulation layer la is preferably at least 10 nm and at most 2 μm, particularly preferably 50 to 300 nm thick. Unless otherwise stated, the term thickness here means the extent in the direction perpendicular to the surface of the cold side 1 or in
Richtung von der Warmseite 3 zur Kaltseite 1 verstan- den. Die funktionale Schicht lb weist eine Dicke von 100 nm auf. Generell ist diese Schicht bevorzugt mindestens 10 nm und höchstens 2 μm dick, besonders bevorzugt zwischen 50 und 300 nm dick. Die funktionale Schicht lb besteht aus einem Polymer. Sie kann auch aus Si02 oder ganz generell aus hydrophoben und/oder hydrophilen Materialien bestehen oder diese aufweisen. Die Grundstruktur ld besteht aus Si, kann jedoch auch aus Keramik bestehen. Sie ist 800 μm dick. Ihre Dicke liegt generell bevorzugt zwischen 100 μm und 4 mm, insbesondere zwischen 500 μm und 1000 μm.Direction from warm side 3 to cold side 1 understood the. The functional layer 1b has a thickness of 100 nm. In general, this layer is preferably at least 10 nm and at most 2 μm thick, particularly preferably between 50 and 300 nm thick. The functional layer 1b consists of a polymer. You can also consist of Si0 2 or quite generally of hydrophobic and / or hydrophilic materials or have them. The basic structure ld consists of Si, but can also consist of ceramic. It is 800 μm thick. Their thickness is generally preferably between 100 μm and 4 mm, in particular between 500 μm and 1000 μm.
Erfindungsgemäß sind eine Elektrodenstruktur 4, ein aktiv beheizbares Heizelement 5 und ein Temperatur- fühler 6 unmittelbar angrenzend an bzw. direkt auf der funktionalen Schicht lb angeordnet. Das im dargestellten Fall U-förmige aktive Heizelement 5 umschließt hierbei die Elektrodenstruktur 4 bzw. die Elektrodenstruktur 4 ist innerhalb des Innenraums des „U" angeordnet. Generell sind für die Elektrodenanordnung 4 jedoch beliebige, je nach Anordnung ange- passte Elektrodengeometrien möglich. Rechts neben dem aktiven Heizelement 5 ist an der geöffneten Seite des „U" der Temperaturfühler 6 angeordnet. An den beiden Enden des balkenförmigen Temperaturfühlers 6 sind als Verdickungen die Ansteuerkontakte des Temperaturfühlers 6 zu erkennen. Die beiden Verdickungen an den Enden des U-förmigen aktiven Heizelements 5 sind ebenfalls Ansteuer- bzw. Verbindungskontakte. Die Elektrodenstruktur 4 besteht aus zwei einzelnen kamm- förmigen Elektroden 4a und 4b. Diese beide Elektroden 4a und 4b sind versetzt zueinander so angeordnet, dass ihre Enden bzw. die „Zinken" der Kammstruktur reißverschlussförmig ineinander greifen. In der Schnittebene A-A senkrecht zur Sensoroberfläche erscheinen somit die einzelnen Enden der kammförmigen Elektroden 4a und 4b jeweils abwechselnd nebeneinan- der angeordnet. An ihrem dem Temperaturfühler 6 zugewandten Ende weisen die Elektroden 4a und 4b ebenfalls eine Verdickung auf (Ansteuerkontakt) .According to the invention, an electrode structure 4, an actively heatable heating element 5 and a temperature sensor 6 are arranged directly adjacent to or directly on the functional layer 1b. The active heating element 5, which is U-shaped in the illustrated case, encloses the electrode structure 4 or the electrode structure 4 is arranged within the interior of the “U”. In general, however, any electrode geometries that are adapted to the arrangement are possible the active heating element 5, the temperature sensor 6 is arranged on the open side of the "U". At the two ends of the bar-shaped temperature sensor 6, the control contacts of the temperature sensor 6 can be seen as thickened portions. The two thickened portions at the ends of the U-shaped active heating element 5 are also control or connection contacts. The electrode structure 4 consists of two individual comb-shaped electrodes 4a and 4b. These two electrodes 4a and 4b are offset from one another so that their ends or the “prongs” of the comb structure interlock zipper-like. In the sectional plane AA perpendicular to the sensor surface, the individual ends of the comb-shaped electrodes 4a and 4b appear alternately next to each other. At its end facing the temperature sensor 6, the electrodes 4a and 4b likewise have a thickening (control contact).
Im dargestellten Fall bestehen die Elektroden 4a und 4b aus Platin, das aktive Heizelement 5 besteht aus Platin und der Temperaturfühler 6 besteht ebenfalls aus Platin. Die Basis des dargestellten Sensorelements ist das miniaturisierte Peltierelement 1, 2, 3, Da die Grundstruktur ld der Kaltseite aus einem elektrisch leitenden Material besteht (da das vorliegende Peltierelement in Dünnschicht gefertigt ist) , wird zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen die dünne Isolationsschicht la aufgebracht. Direkt auf der Isolationsschicht la befindet sich die dünne funktionale Schicht lb, auf der wiederum direkt die Strukturen 4, 5 und 6 aufgebracht sind. Die Elektrodenstrukturen 4 befinden sich somit direkt auf der Kaltseite 1 des Peltierelementes. Das aktive Heizelement 5 und der Temperaturfühler 6 zur Bestimmung der aktuellen Oberflächentemperatur befinden sich ebenfalls direkt auf der Kaltseite 1.In the case shown, the electrodes 4a and 4b are made of platinum, the active heating element 5 is made of platinum and the temperature sensor 6 is also made of platinum. The basis of the sensor element shown is the miniaturized Peltier element 1, 2, 3, since the basic structure ld of the cold side consists of an electrically conductive material (since the present Peltier element is made in a thin layer), the thin insulation layer 1 a is applied to avoid electrical short circuits. The thin functional layer 1b is located directly on the insulation layer 1a, on which the structures 4, 5 and 6 are in turn applied directly. The electrode structures 4 are thus located directly on the cold side 1 of the Peltier element. The active heating element 5 and the temperature sensor 6 for determining the current surface temperature are also located directly on the cold side 1.
Figur 2 als Schnitt in der Ebene A-A durch die in Figur 1 dargestellte Anordnung (Schnittebene senkrecht zur Oberfläche des Sensorelementes) zeigt die Elektrodenstruktur 4 genauer. Zur vereinfachten Darstellung ist in der Schnittdarstellung der Figur 2 der Schnitt durch das aktive Heizelement 5 und durch den Temperaturfühler 6 nicht gezeigt. Zudem sind auch nicht alle angeschnittenen Elektrodenabschnitte der Elektroden 4a und 4b gezeigt . Unmittelbar auf der dünnen funktionalen Schicht lb sind mehrere nebeneinander angeordnete Elektrodenabschnitte 4 gezeigt. Aufgrund des reißverschlussförmigen Ineinandergrei- fens der Elektroden 4a und 4b (siehe Figur 1) gehören die gezeigten Elektrodenabschnitte abwechselnd zu der Elektrode 4a und der Elektrode 4b. Die Elektroden bzw. Elektrodenabschnitte sind mit einer dünnen Isolationsschicht 4c versehen. Die Isolationsschicht 4c umgibt die Elektroden bzw. Elektrodenabschnitte mit Ausnahme der unmittelbar an die funktionale Schicht lb angrenzenden Seite der Elektroden vollständig. Bei der Isolationsschicht 4c handelt es sich im dargestellten Fall um eine polymerbasierte Isolatorschicht. Die Dicke der Elektroden bzw. der Elektrodenstrukturen 4a, 4b in Richtung senkrecht zur Sen- soroberflache ist mit d gekennzeichnet. Der Abstand zweier benachbarter Elektrodenstrukturen 4a und 4b in der Schnittebene A-A ist mit a gekennzeichnet.Figure 2 as a section in the plane AA through the arrangement shown in Figure 1 (section plane perpendicular to the surface of the sensor element) shows the electrode structure 4 in more detail. To simplify the illustration, the sectional illustration in FIG Section through the active heating element 5 and through the temperature sensor 6 not shown. In addition, not all of the cut electrode sections of the electrodes 4a and 4b are shown. Several electrode sections 4 arranged side by side are shown directly on the thin functional layer 1b. Due to the zipper-like interlocking of the electrodes 4a and 4b (see FIG. 1), the electrode sections shown alternately belong to the electrode 4a and the electrode 4b. The electrodes or electrode sections are provided with a thin insulation layer 4c. The insulation layer 4c completely surrounds the electrodes or electrode sections with the exception of the side of the electrodes directly adjacent to the functional layer 1b. In the case shown, the insulation layer 4c is a polymer-based insulator layer. The thickness of the electrodes or the electrode structures 4a, 4b in the direction perpendicular to the sensor surface is identified by d. The distance between two adjacent electrode structures 4a and 4b in the section plane AA is identified by a.
Um einen möglichst hohen homogenen Anteil des ange- legten elektrischen Feldes zu erreichen, sind im dargestellten Fall die Elektroden so strukturiert, dass diese ein Dicken-zu-Abstandsverhältnis d/a von nahezu 1 oder höher aufweisen. Im vorliegenden Fall beträgt das Verhältnis d/a 4.0. Aufgrund der beschriebenen Elektrodenanordnung wird der Messeffekt vorwiegend durch Änderung des homogenen Feldanteils hervorgerufen und nicht wie bei den bekannten Anordnungen nach dem Stand der Technik durch Änderung der Streufeldkapazität. Dadurch sind ein größerer Messeffekt und genauere Messergebnisse möglich. Aufgrund des vergleichsweise geringen Abstandes a sind zur Vermeidung von Kurzschlüssen infolge zu großer Wassertropfen die Elektroden 4 mit der dünnen elektrisch isolierenden Schicht 4c versehen. Bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Anordnung ist der Zeitpunkt der eintretenden Kondensation der Feuchtigkeit in der Umgebungs- luft anhand einer Kapazitätsänderung der auf der Sensoroberfläche bzw. Kaltseite 1 des Peltierelementes aufgebrachten Elektroden 4a und 4b ermittelbar. Alternativ hierzu kann dieser Zeitpunkt auch anhand einer Widerstandsänderung der Elektroden 4a und 4b er- mittelt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Ermittlung des Zeitpunkts durch optische Verfahren, welche auf der Sensoroberfläche angewendet werden (beispielsweise Messung von reflektiertem Licht oder von Streulicht) . Mit dem aktiven Heizelement 5 wird die Sensoroberfläche beheizt, um auf der Oberfläche kondensierte Feuchtigkeit wieder zu verdunsten. Das Heizelement 5 ist hierbei unabhängig vom Peltierelement 1, 2, 3 ansteuerbar und betreibbar.In order to achieve the highest possible homogeneous portion of the applied electric field, the electrodes are structured in the case shown so that they have a thickness-to-distance ratio d / a of almost 1 or higher. In the present case, the ratio d / a is 4.0. On the basis of the electrode arrangement described, the measurement effect is caused primarily by changing the homogeneous field component and not as in the known arrangements the state of the art by changing the stray field capacity. This enables a larger measurement effect and more precise measurement results. Due to the comparatively small distance a, the electrodes 4 are provided with the thin electrically insulating layer 4c in order to avoid short circuits due to excessively large water drops. In the arrangement shown in FIGS. 1 and 2, the point in time at which the moisture in the ambient air condenses can be determined on the basis of a change in capacitance of the electrodes 4a and 4b applied to the sensor surface or cold side 1 of the Peltier element. As an alternative to this, this point in time can also be determined on the basis of a change in resistance of the electrodes 4a and 4b. Another possibility is to determine the point in time using optical methods which are used on the sensor surface (for example measurement of reflected light or of scattered light). With the active heating element 5, the sensor surface is heated in order to evaporate moisture condensed on the surface again. The heating element 5 can be controlled and operated independently of the Peltier element 1, 2, 3.
Figur 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Sensoranordnung, welche der Vermeidung von Messfehlern aufgrund von Vereisung dient. Die gezeigte Anordnung ist grundsätzlich bis auf eine zweite Aktivstruktur (bestehend aus Elektrodenstruktur, Heizelement und Tem- peraturfühler) sowie eine zusätzliche thermisch isolierende Schicht identisch mit der in Figur 1 und 2 gezeigten Anordnung. Die zusätzliche thermisch iso- lierende Schicht lc ist auf einer Hälfte der Oberfläche des Peltierelementes bzw. dessen Kaltseite 1 zwischen der elektrisch isolierenden Schicht la und der funktionalen Schicht lb und unmittelbar angrenzend an diese beiden Schichten angeordnet . In der in Figur 3 rechts dargestellten Hälfte des Peltierelementes weist dessen Kaltseite somit einen vierlagigen Aufbau aus Grundstruktur ld, darauf angeordneter elektrisch isolierender Schicht la, darauf angeordneter ther- misch isolierender Schicht lc und darauf angeordneter Funktionalschicht lb auf. In der in Figur 3 links dargestellten Hälfte weist die Kaltseite 1 des Peltierelementes demgegenüber einen dreilagigen Schicht- aufbau bestehend aus Grundstruktur ld, elektrisch isolierender Schicht la und funktionaler Schicht lb auf (wie in der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Sensoranordnung) . Die in der rechten Hälfte der dargestellten Sensoranordnung zwischen elektrisch isolierender Schicht la und funktionaler Schicht lb ein- gebrachte thermische Isolationsschicht lc weist eine an den benötigten Temperaturgradient angepasste Dicke (in Richtung senkrecht zur Sensoroberfläche) auf. Generell ist die thermische Isolationsschicht lc somit so auszugestalten, dass der benötigte Temperaturgra- dient über ihre Schichtdicke eingestellt wird.FIG. 3 shows a further sensor arrangement according to the invention, which serves to avoid measurement errors due to icing. Except for a second active structure (consisting of electrode structure, heating element and temperature sensor) and an additional thermally insulating layer, the arrangement shown is basically identical to the arrangement shown in FIGS. 1 and 2. The additional thermal iso- layer lc is arranged on one half of the surface of the Peltier element or its cold side 1 between the electrically insulating layer la and the functional layer 1b and immediately adjacent to these two layers. In the half of the Peltier element shown on the right in FIG. 3, its cold side thus has a four-layer structure consisting of a basic structure ld, an electrically insulating layer la arranged thereon, a thermally insulating layer lc arranged thereon and a functional layer lb arranged thereon. In contrast, in the half shown in FIG. 3 on the left, the cold side 1 of the Peltier element has a three-layer structure consisting of basic structure Id, electrically insulating layer 1a and functional layer Ib (as in the sensor arrangement shown in FIGS. 1 and 2). The thermal insulation layer 1c introduced between the electrically insulating layer 1 a and the functional layer 1 b in the right half of the sensor arrangement shown has a thickness adapted to the required temperature gradient (in the direction perpendicular to the sensor surface). In general, the thermal insulation layer 1c is thus to be designed in such a way that the required temperature gradient is set via its layer thickness.
Der die Isolationsschicht lc aufweisende Teil bzw. Abschnitt der Sensoranordnung bzw. der Kaltseite 1 wird im Folgenden auch mit dem Bezugszeichen 1B ge- kennzeichnet, der die thermisch isolierende Schicht nicht aufweisende Teil bzw. Abschnitt des Sensors bzw. die entsprechende Hälfte der Kaltseite 1 wird im Folgenden auch mit dem Bezugszeichen 1A gekennzeichnet. Im Teilbereich 1A bzw. im Nicht-Isolations- bereich ist wie bereits in den Figuren 1 und 2 gezeigt oberhalb der funktionalen Schicht lb und unmit- telbar an diese angrenzend eine erste Aktivstruktur bestehend aus erster Elektrodenstruktur 4 (mit zwei Elektroden 4a und 4b) , erstem aktiven Heizelement 5 und erstem Temperaturfühler 6 angeordnet. Unmittelbar oberhalb der funktionalen Schicht lb des Teilbereichs 1B bzw. des Isolationsbereichs ist eine zweite Aktivstruktur bestehend aus zweiter Elektrodenstruktur 4', zweitem aktiven Heizelement 5' und zweitem Temperaturfühler 6' unmittelbar angrenzend an die funktionale Schicht lb angeordnet. Die beiden Aktivstrukturen 4, 5, 6 und 4', 5' ,6' entsprechen in ihrem Aufbau und in ihrer Anordnung bzw. in ihrer Geometrie den entsprechenden in den Figuren 1 und 2 gezeigten Elementen. Die Elektrodenstruktur 4 des Teilbereichs 1A dient als Referenzelektrodenstruktur. Die Elektroden- Struktur 4' des Teilbereichs 1B dient als Messelektrodenstruktur. Die zusätzliche thermisch isolierende Schicht lc befindet sich somit im Schichtaufbau unterhalb der zweiten Elektrodenstruktur 4' bzw. der Messelektrodenstruktur 4'.The part or section of the sensor arrangement or the cold side 1 which has the insulation layer 1c is also identified below with the reference symbol 1B, which becomes the part or section of the sensor which does not have the thermally insulating layer or the corresponding half of the cold side 1 in the Hereinafter also identified with the reference number 1A. As already shown in FIGS. 1 and 2, a first active structure consisting of a first electrode structure 4 (with two electrodes 4a and 4b) is located above the functional layer 1b and directly adjacent to it in the partial region 1A or in the non-insulation region. arranged first active heating element 5 and first temperature sensor 6. Immediately above the functional layer 1b of the partial area 1B or the insulation area, a second active structure consisting of a second electrode structure 4 ', a second active heating element 5' and a second temperature sensor 6 'is arranged immediately adjacent to the functional layer 1b. The two active structures 4, 5, 6 and 4 ', 5', 6 'correspond in their structure and in their arrangement or in their geometry to the corresponding elements shown in FIGS. 1 and 2. The electrode structure 4 of the partial area 1A serves as a reference electrode structure. The electrode structure 4 'of the partial area 1B serves as a measuring electrode structure. The additional thermally insulating layer 1c is thus located in the layer structure below the second electrode structure 4 'or the measuring electrode structure 4'.
Wird das dargestellte Sensorelement abgekühlt, so entsteht durch die lediglich im Bereich der Messelektrodenstruktur 4' eingebrachte thermisch isolierende Schicht lc während des Abkühlvorgangs ein Tem- peraturgradient zwischen der Messelektrode 4' und der Referenzelektrode 4. Aufgrund dieses Temperaturunterschiedes bzw. dieses Temperaturgradienten findet auf der Referenzelektrode 4 zuerst eine Vereisung statt . Das Eintreten der Eisbildung auf der Referenzelektrode 4 wird mit entsprechenden Verfahren (z.B. mit re- sistiven Verfahren) festgestellt und dient als Signal zur Verlangsamung des Abkühlvorgangs .If the sensor element shown is cooled, the thermal insulating layer 1c, which is only introduced in the area of the measuring electrode structure 4 ', creates a temperature gradient between the measuring electrode 4' and the reference electrode 4 during the cooling process. Due to this temperature difference or temperature gradient, the reference electrode 4 first icing instead. The occurrence of ice formation on the reference electrode 4 is determined using appropriate methods (for example using resistive methods) and serves as a signal for slowing down the cooling process.
Wird somit eine Vereisung der Referenzelektrodenstruktur 4 bzw. des Teilbereiches 1A festgestellt, so wird ab diesem Zeitpunkt die weitere Abkühlung des Sensorelementes so verlangsamt, dass eine Vereisung der Messelektrode 4' verhindert wird. Hierbei ist darauf zu achten, dass das Peltierelement 1, 2, 3 nicht im Impulsbetrieb betrieben wird. Vorteilhafterweise wird das Peltierelement 1, 2, 3 während des Ab- kühlvorgangs mit einem rampenförmigen Strom betrieben, wie er in Figur 4 (siehe nachfolgend) dargestellt ist. Aufgrund der beim rampenförmigen Strom erfolgenden stetigen Abkühlung der Sensorstrukturen erfolgt kein Temperaturausgleich zwischen der Mess- elektrode 4' und der Referenzelektrode 4, wodurch der Temperaturgradient aufrechterhalten bleibt.If icing of the reference electrode structure 4 or of the partial region 1A is thus determined, the further cooling of the sensor element is slowed down from this point in time so that icing of the measuring electrode 4 ′ is prevented. It is important to ensure that Peltier element 1, 2, 3 is not operated in pulse mode. The Peltier element 1, 2, 3 is advantageously operated with a ramp-shaped current during the cooling process, as is shown in FIG. 4 (see below). Due to the constant cooling of the sensor structures in the case of the ramp-shaped current, there is no temperature compensation between the measuring electrode 4 'and the reference electrode 4, as a result of which the temperature gradient is maintained.
Figur 4 zeigt einen Temperaturverlauf über die Zeit bei der in Figur 3 dargestellten Sensoranordnung mit Messelektrode und Referenzelektrode. Hierbei ist der Zeitverlauf während des bzw. über den Abkühlvorgang dargestellt. Die dargestellten Diagramme zeigen auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Temperatur des Peltierelementes P (Figur 4A) bzw. der Messelektrode M sowie der Referenzelektrode R (Figur 4B) in Kelvin (T [K] ) . Die Elektroden M und R bzw. das Peltierelement P werden durch einen rampenförmigen Strom (Kühlleistung beim Peltierelement proportional zum Strom) soweit abgekühlt, bis zum Zeitpunkt t0 auf der Referenzelektrode R eine Vereisung (Eispunkt) stattfindet. Die Temperatur T des Eispunktes ist im Diagramm der Figur 4B durch Ep gekennzeichnet . Ab dem Zeitpunkt t0 wird die Abkühlung des Peltierelementes bzw. der Elektroden verlangsamt (sichtbar an der geringeren Steigung der Temperaturverlaufskurven im Zeitbereich t:>t0 im Vergleich zum Zeitbereich t<t0) . Ab dem Zeitpunkt t0 verläuft die Abkühlung somit langsamer, bis schließlich auf der Messelektrode M die gewünschte Betauung eintritt (Zeitpunkt ti) und somit über die Temperatur Tp der Messelektrode M zu diesem Zeitpunkt tx der Taupunkt ermittelt werden kann. Eine mögliche Betriebsart dieses Verfahrens wird im Folgenden kurz beschrieben: Der Messzyklus beginnt mit einer Kühlphase des miniaturisierten Peltierelementes 1, 2, 3. Aufgrund der Abkühlung erfolgt zuerst (besonders bei hohen Feuchtewerten) eine Eis- bildung auf der Referenzelektrode 4. Der Abkühlvorgang wird danach soweit verlangsamt weiter fortgeführt, bis bei der Messelektrode 4' eine Betauung eintritt (Zeitpunkt ti) . Dieser Betauungsvorgang wird im dargestellten Fall über den Kapazitätsanstieg der Messelektrode 4' festgestellt. Zu diesem Zeitpunkt ti wird mit Hilfe des Temperaturfühlers 6' der Taupunkt TP bzw. die am Taupunkt vorliegende Temperatur Tp bestimmt. Nachdem der Taupunkt Tp bestimmt wurde, wird das Peltierelement sofort ausgeschaltet und die Ober- flächenfeuchtigkeit mittels aktiviertem Heizelement 5' verdunstet sowie die Eisschicht mittels aktiviertem Heizelement 5 abgetaut und ebenfalls verdunstet. Anschließend beginnt der beschriebene Messzyklus erneut .FIG. 4 shows a temperature profile over time in the sensor arrangement shown in FIG. 3 with measuring electrode and reference electrode. The time course during or over the cooling process is shown. The diagrams shown show the time t on the abscissa and the temperature of the Peltier element P (FIG. 4A) or the measuring electrode M and the reference electrode R (FIG. 4B) in Kelvin (T [K]) on the ordinate. The electrodes M and R or the Peltier element P are shaped by a ramp Electricity (cooling capacity in the Peltier element proportional to the current) cooled until icing (ice point) takes place on the reference electrode R by the time t 0 . The temperature T of the ice point is identified in the diagram in FIG. 4B by E p . From the point in time t 0 , the cooling of the Peltier element or the electrodes is slowed down (visible from the smaller slope of the temperature curve in the time range t:> t 0 compared to the time range t <t 0 ). From time t 0 , the cooling thus proceeds more slowly until the desired condensation finally occurs on the measuring electrode M (time ti) and the dew point can thus be determined via the temperature T p of the measuring electrode M at this time tx. A possible mode of operation of this method is briefly described below: The measuring cycle begins with a cooling phase of the miniaturized Peltier element 1, 2, 3. Because of the cooling, ice is first formed on the reference electrode 4 (especially with high humidity values). The cooling process then follows so far continued to slow down until condensation occurs at the measuring electrode 4 '(time ti). This condensation process is determined in the case shown by the increase in capacitance of the measuring electrode 4 '. At this point in time ti, the dew point T P or the temperature T p present at the dew point is determined with the aid of the temperature sensor 6 '. After the dew point T p has been determined, the Peltier element is switched off immediately and the surface moisture is evaporated by means of the activated heating element 5 ', and the ice layer is thawed and likewise evaporated by means of the activated heating element 5. The measurement cycle described then begins again.
Figur 5 dient der Beschreibung einer weiteren mögli- chen Betriebsart des in Figur 1 dargestellten Taupunktsensorelements. Eine solche Betriebsart ist, auch wenn sie nachfolgend anhand des in Figur 1 gezeigten Taupunktsensorelements beschrieben wird, jedoch auch mit dem in Figur 3 gezeigten Taupunktsen- sorelement möglich. In letzterem Falle kann dann wahlweise entweder die Aktivstruktur 4, 5, 6 oder auch die Aktivstruktur 4', 5', 6' als Messstruktur verwendet werden. Figur 5A zeigt den Verlauf KP der Kühlleistung beim Peltierelement 1, 2, 3 über der Zeit t sowie den Verlauf der Heizleistung HH am Heizelement 5 über der Zeit t bei der in Figur 1 dargestellten Sensoranordnung. Die horizontale Linie KP beim Peltierelement bzw. die Bezeichnung „an" wurde gewählt, um anzudeuten, dass eine konstante Kühlleis- tung beim Peltierelement 1, 2, 3 aufgewendet wird.FIG. 5 serves to describe a further possible operating mode of the dew point sensor element shown in FIG. 1. Such an operating mode, even if it is described below with reference to the dew point sensor element shown in FIG. 1, is also possible with the dew point sensor element shown in FIG. 3. In the latter case, either the active structure 4, 5, 6 or the active structure 4 ', 5', 6 'can then be used as the measurement structure. FIG. 5A shows the course KP of the cooling power in the Peltier element 1, 2, 3 over the time t and the course of the heating power HH on the heating element 5 over the time t in the sensor arrangement shown in FIG. The horizontal line KP for the Peltier element or the designation “on” was chosen to indicate that a constant cooling power is being used for the Peltier element 1, 2, 3.
Die Kühlleistung ist so gewählt, dass bei ausgeschaltetem Heizelement 5 die Temperatur der Sensoroberfläche konstant unterhalb der Taupunkttemperatur Tp gehalten wird. Demgegenüber wird das Heizelement 5 im Zeitintervall [0, t0] nicht betrieben bzw. geheiztThe cooling capacity is selected so that when the heating element 5 is switched off, the temperature of the sensor surface is kept constant below the dew point temperature T p . In contrast, the heating element 5 is not operated or heated in the time interval [0, t 0 ]
(Heizleistung 0 Watt, symbolisiert durch die Bezeichnung „aus") . Zum Zeitpunkt t0 wird dann das aktive Heizelement 5 eingeschaltet bzw. die Heizleistung HH0 aufgewendet. Diese Heizleistung HH0 wird während des Zeitintervalls [t0, ti] aufrechterhalten. Während des(Heating power 0 watt, symbolized by the designation “off”). At time t 0 , the active heating element 5 is then switched on or the heating power HH 0 is expended. This heating power HH 0 is maintained during the time interval [t 0 , ti] of
Zeitintervalls [ti, t2] wird die Heizleistung mit konstanter Rate verringert, so dass die Heizleistung zum Zeitpunkt t2 wieder 0 Watt beträgt. Für den Zeitraum t > t2 wird dann keine Heizleistung aufgewandt. Die für das Peltierelement 1, 2, 3 aufgewandte Kühlleistung KP ist nun wie beschrieben so gewählt, dass die Sensoroberfläche des Taupunktsensorelements (genauer gesagt diejenige Oberfläche, auf der sich die Aktivstrukturen 4, 5, 6 befinden, also die Kaltseite 1) mittels des miniaturisierten Peltierelements 1, 2, 3 konstant unter der Taupunkttemperatur Tp gehalten wird. Im vorliegenden Fall wird die Messung (bzw. bei wiederholter Messung der Messzyklus) mit dem Heizelement 5 gesteuert: Mit Hilfe des Heizelements 5 wird die besagte Sensoroberfläche über die Taupunkttempe- ratur Tp erwärmt. Die Erwärmung geschieht so, dass nach Abschluss der Erwärmung keine Betauung auf der Messelektrode 4 mehr vorliegt. Dies ist in Figur 5B gezeigt, in der die Temperatur T der Messelektrode M in Kelvin über der Zeit aufgetragen ist. Vor der Erwärmung der Sensoroberfläche beträgt die Temperatur der Messelektrode T0. Zum Zeitpunkt t0 (zu dem dasTime interval [ti, t 2 ], the heating power is reduced at a constant rate, so that the heating power is 0 watt again at time t 2 . No heating power is then used for the period t> t 2 . The cooling power KP used for the Peltier element 1, 2, 3 is now selected as described so that the sensor surface of the dew point sensor element (more precisely the surface on which the active structures 4, 5, 6 are located, i.e. the cold side 1) is miniaturized Peltier element 1, 2, 3 is kept constant below the dew point temperature T p . In the present case, the measurement (or, in the case of repeated measurement, the measurement cycle) is controlled with the heating element 5: With the help of the heating element 5, the said sensor surface is heated above the dew point temperature T p . The heating takes place in such a way that there is no more condensation on the measuring electrode 4 after the heating has been completed. This is shown in FIG. 5B, in which the temperature T of the measuring electrode M is plotted in Kelvin over time. Before the sensor surface is heated, the temperature of the measuring electrode is T 0 . At time t 0 (at which the
Heizelement 5 eingeschaltet wird) beginnt die Erwärmung der Messelektrode M. Dies führt zu einem konstanten Temperaturanstieg der Temperatur der Mess- elektrode M im Zeitintervall [t0, ti] bis auf die Temperatur Ti oberhalb der Taupunkttemperatur Tp.Heating element 5 is switched on) the measuring electrode M begins to heat up. This leads to a constant rise in the temperature of the measuring electrode M in the time interval [t 0 , ti] up to the temperature Ti above the dew point temperature T p .
Nachdem zum Zeitpunkt ti die Verringerung der Heizleistung beim Heizelement beginnt, kommt es zu einer langsamen und linearen Temperaturabnahme der Temperatur der Messelektrode M während des Zeitintervalls [ti, t2] . Durch Verringerung der Heizleistung desAfter the heating power of the heating element begins to decrease at time ti, the temperature of the measuring electrode M slowly and linearly decreases during the time interval [ti, t 2 ]. By reducing the heating power of the
Heizelementes kühlt während dieses Zeitintervalls somit die Sensoroberfläche langsam ab und es kommt zur Betauung der Elektrode 4 : Diese tritt zum Zeitpunkt tp ein. Dieser Betauungsvorgang wird dann, wie vorstehend für Figur 4 beschrieben, über den Kapazitätsanstieg der Messelektrode 4 festgestellt. Zu diesem Zeitpunkt tp wird dann, wie bereits vorher beschrieben, mit Hilfe des Temperaturfühlers 6 der Taupunkt Tp bzw. die am Taupunkt vorliegende Temperatur Tp bestimmt. Nach der langsamen Abkühlung weist für die Zeiten t > t2 die Temperatur der Messelektrode dann wiederum die konstante Temperatur T0 unterhalb der Temperatur Tp auf. Nach einer dergestalt erfolgten Messung kann die Sensoroberfläche durch das Heizelement 5 erneut erwärmt werden und der vorbeschriebene Messzyklus somit erneut begonnen werden. Da im vor- liegenden Fall wie beschrieben die Temperatur über das Heizelement 5 (welches direkt auf der Sensoroberfläche angeordnet ist) geregelt wird und nicht über das Peltierelement 1, 2, 3 wie vorstehend bei Figur 4 beschrieben, können die einzelnen Messzyklen schnei- 1er durchgeführt werden. Somit kann die Messrate erhöht werden. Heating element thus slowly cools the sensor surface during this time interval and it comes to Condensation on electrode 4: This occurs at time t p . This condensation process is then, as described above for FIG. 4, determined by the increase in capacitance of the measuring electrode 4. At this point in time t p , the dew point T p or the temperature T p present at the dew point is then determined using the temperature sensor 6. After slow cooling, the temperature of the measuring electrode then again has the constant temperature T 0 below the temperature T p for the times t> t 2 . After such a measurement has taken place, the sensor surface can be heated again by the heating element 5 and the measurement cycle described above can thus be started again. Since, in the present case, as described, the temperature is regulated via the heating element 5 (which is arranged directly on the sensor surface) and not via the Peltier element 1, 2, 3 as described above in FIG. 4, the individual measuring cycles can be carried out more quickly become. The measurement rate can thus be increased.

Claims

Patentansprüche claims
1. Taupunktsensorelement zur TaupunktbeStimmung mit einem Peltierelement mit einer Kaltseite (1) und einer dieser Kaltseite (1) gegenüberliegenden Warmseite (3) , einer Elektrodenstruktur (4) zur Bestimmung des Eintrittszeitpunktes einer Feuchtigkeitskondensation, einem Temperaturfühler (6) zur Messung der Temperatur zum Eintrittszeitpunkt der Feuchtig- keitskondensation und einem aktiv heizbaren Heizelement (5) zur Verdunstung von Kondensat nach der Bestimmung des Eintrittszeitpunktes der Feuchtigkeitskondensation dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur (4) , der Temperaturfühler (6) und das Heizelement (5) unmittelbar an die Kaltseite des Peltierelements angrenzend angeordnet sind.1.Dew point sensor element for determining the dew point with a Peltier element with a cold side (1) and a warm side (3) opposite this cold side (1), an electrode structure (4) for determining the time of entry of moisture condensation, a temperature sensor (6) for measuring the temperature at the time of entry the moisture condensation and an actively heatable heating element (5) for the evaporation of condensate after the determination of the time of entry of the moisture condensation, characterized in that the electrode structure (4), the temperature sensor (6) and the heating element (5) directly to the cold side of the Peltier element are arranged adjacent.
2. Taupunktsensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltseite (1) des Peltierelements einen elektrischen Isolationsbereich (la) aufweist, an den die Elektrodenstruktur (4) , der Temperaturfühler (6) und das Heizelement (5) unmittelbar angrenzend angeordnet sind.2. dew point sensor element according to the preceding claim, characterized in that the cold side (1) of the Peltier element has an electrical insulation region (la) which the electrode structure (4), the temperature sensor (6) and the heating element (5) are arranged immediately adjacent.
3. Taupunktsensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Kaltseite (1) des Peltierelements einen funktionalen Bereich (lb) aufweist, an den die Elektrodenstruktur (4) , der Temperaturfühler (6) und das Heizelement (5) unmittelbar angrenzend angeordnet sind.3. dew point sensor element according to claim 1, characterized in that the cold side (1) of the Peltier element has a functional area (lb) to which the electrode structure (4), the temperature sensor (6) and the heating element (5) are arranged immediately adjacent.
4. Taupunktsensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Kaltseite (1) des Peltierelements einen elektrischen Isolationsbereich (la) aufweist, wobei von der Warmseite (3) aus gesehen in Richtung der Kaltseite (1) des Peltierelements in der nachfolgend genannten Reihenfolge unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind: der Isolationsbereich (la) , an diesem angrenzend der funktionale Bereich (lb) und an diesem angrenzend die Elektrodenstruktur (4) , der Temperaturfühler (6) und das Heizelement (5) .4. dew point sensor element according to claim 3, characterized in that the cold side (1) of the Peltier element has an electrical insulation area (la), being seen from the warm side (3) in the direction of the cold side (1) of the Peltier element in the order mentioned below directly are arranged adjacent to one another: the insulation region (la), the functional region (lb) adjoining this and the electrode structure (4), the temperature sensor (6) and the heating element (5) adjoining this.
5. Taupunktsensorelement nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet , dass der Isolationsbereich (la) eine Isolationsschicht aufweist, wobei die Isolationsschicht bevorzugt Al203, Si02 und/oder Si3N enthält oder daraus besteht und/oder wobei die Isolationsschicht in Richtung von der Warmseite (3) zur Kaltseite (1) des Peltierelements bzw. senkrecht zur Oberfläche des Peltierelements bevorzugt eine Dicke von über 5 nm und/oder unter 5 μm, insbesondere bevorzugt von über 50 nm und/oder unter 300 nm aufweist.5. dew point sensor element according to claim 2 or 4, characterized in that the insulation region (la) has an insulation layer, the insulation layer preferably containing or consisting of Al 2 0 3 , Si0 2 and / or Si 3 N and / or wherein the insulation layer in Direction from the warm side (3) to the cold side (1) of the Peltier element or vertically to the surface of the Peltier element preferably has a thickness of more than 5 nm and / or less than 5 μm, particularly preferably more than 50 nm and / or less than 300 nm.
6. Taupunktsensorelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionale Bereich (lb) eine funktionale Schicht aufweist, wobei die funktionale Schicht bevorzugt hydrophobe und/oder hydrophile Materialien und/oder ein Polymer und/oder Si02 enthält oder daraus besteht und/oder wobei die funktionale Schicht in Richtung von der Warmseite (3) zur Kaltseite (1) des Peltierelementes bzw. senkrecht zur Oberfläche des Peltierelements bevorzugt eine Dicke von über 5 nm und/oder unter 5 μm, insbesondere bevorzugt von über 50 nm und/oder unter 300 nm aufweist.6. dew point sensor element according to one of claims 3 to 5, characterized in that the functional area (lb) has a functional layer, the functional layer preferably containing hydrophobic and / or hydrophilic materials and / or a polymer and / or Si0 2 or therefrom and / or wherein the functional layer in the direction from the warm side (3) to the cold side (1) of the Peltier element or perpendicular to the surface of the Peltier element preferably has a thickness of more than 5 nm and / or less than 5 μm, particularly preferably more than 50 nm and / or below 300 nm.
7. Taupunktsensorelement nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement ein miniaturisiertes Peltierelement mit einer bevorzugten Baugröße (Oberflächenausdehnung) von kleiner als 10 mm x 10 mm, insbesondere kleiner als 5 mm x 5 mm, insbesondere kleiner als 1 mm x 1 mm und mit geringer thermischer Masse ist, welches bevorzugt in Dünnschichttechnologie gefertigt ist.7. dew point sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the Peltier element is a miniaturized Peltier element with a preferred size (surface area) of less than 10 mm x 10 mm, in particular less than 5 mm x 5 mm, in particular less than 1 mm x 1 mm and with a low thermal mass, which is preferably made in thin-film technology.
8. Taupunktsensorelement nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Elektrodenstruktur (4) eine Anordnung, Geometrie und/oder Oberflächengestaltung so aufweist, dass ein mit ihr erzeugbares elektrisches Feld über einen zur Bestimmung des Eintritts- Zeitpunktes der Feuchtigkeitskondensation verwendeten Messbereich eine Homogenität bzw. eine maximale Schwankungsbreite von ± 10 %, bevorzugt ± 5 %, bevorzugt ± 2 %, bevorzugt ± 1 %, bevorzugt ± 0.5 %, bevorzugt + 0.1 % aufweist.8. dew point sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode structure (4) has an arrangement, geometry and / or surface design such that an electric field that can be generated with it has a homogeneity or a maximum fluctuation range of ± 10%, preferably ± 5, over a measuring range used to determine the point in time at which the moisture condensation occurs %, preferably ± 2%, preferably ± 1%, preferably ± 0.5%, preferably + 0.1%.
9. Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur (4) mindestens zwei Elektroden (4a, 4b) mit jeweils mindestens einem Elektrodenabschnitt mit einer mittleren Dicke d in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Peltierelements bzw. in Richtung von der Warmseite (3) zur Kaltseite (1) des Peltierelements aufweist, wobei zueinander benachbart angeordnete Elektro- denabschnitte unterschiedlicher Elektroden (4a, 4b) einen mittleren Abstand a voneinander so aufweisen, dass das Verhältnis von mittlerer Elektrodenabschnittdicke zu mittlerem Elektro- denabschnittabstand d/a größer als 0.25, bevor- zugt größer als 0.5, bevorzugt größer als 0.75, bevorzugt größer als 1, bevorzugt größer als 1.5, bevorzugt größer als 2, bevorzugt größer als 5, bevorzugt größer als 10 ist.9. dew point sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode structure (4) at least two electrodes (4a, 4b) each with at least one electrode section with an average thickness d in the direction perpendicular to the surface of the Peltier element or in the direction from the warm side (3) to the cold side (1) of the Peltier element, with electrode sections of different electrodes (4a, 4b) arranged adjacent to one another having an average distance a from one another such that the ratio of average electrode section thickness to average electrode section distance d / a is greater than 0.25, preferably greater than 0.5, preferably greater than 0.75, preferably greater than 1, preferably greater than 1.5, preferably greater than 2, preferably greater than 5, preferably greater than 10.
10. Taupunktsensorelement nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur (4) mindestens zwei m- oder kammförmige, mindestens jeweils zwei kamm- zinkenartige Enden mit einer mittleren Dicke d in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Peltie- relements bzw. in Richtung von der Warmseite (3) zur Kaltseite (1) des Peltierelements aufweisende Elektroden (4a, 4b) aufweist, wobei mindestens zwei der Elektroden (4a, 4b) reißverschlussartig so miteinander verzahnt sind bzw. wobei die Enden von mindestens zwei der Elektroden (4a, 4b) abwechselnd so ineinander greifen, dass das Verhältnis d/a von mittlerer Dicke der Elektrodenenden zu mittlerem Abstand a zweier zueinander benachbarter Elektrodenenden unter- schiedlicher Elektroden (4a, 4b) größer als 0.2, bevorzugt größer als 0.5, bevorzugt größer als 0.75, bevorzugt größer als 1, bevorzugt größer als 1.5, bevorzugt größer als 2, bevorzugt größer als 5, bevorzugt größer als 10 ist.10. dew point sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode structure (4) has at least two m-shaped or comb-shaped, at least two comb-toothed ends with an average thickness d in the direction perpendicular to the surface of the Peltie element or in the direction from the warm side (3) to the cold side (1) of the Peltier element having electrodes (4a, 4b), at least two of the electrodes (4a, 4b) being zipped together so that the ends of at least two of the electrodes (4a, 4b) alternate so that the ratio d / a of average thickness of the electrode ends to average distance a between two adjacent electrode ends of different electrodes (4a, 4b) greater than 0.2, preferably greater than 0.5, preferably greater than 0.75, preferably greater than 1, preferably greater than 1.5, preferably greater than 2 , preferably greater than 5, preferably greater than 10.
11. Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der und/oder direkt an die Elektrodenstruktur (4) angrenzend eine elektri- sehe Isolierschicht (4c) angeordnet ist.11. Dew point sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that an electrical insulating layer (4c) is arranged directly on and / or directly adjacent to the electrode structure (4).
12. Taupunktsensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (4c) Polymere und/oder gas- sensitive Metalloxide und/oder Si02 und/oder Si3N4 und/oder Al203 enthält oder daraus besteht und/oder dass die Isolierschicht (4c) eine Dicke von über 0.5 nm und/oder unter 1000 nm, insbesondere bevorzugt von über 5 nm und/oder unter 200 nm aufweist.12. dew point sensor element according to the preceding claim, characterized in that the insulating layer (4c) contains polymers and / or gas-sensitive metal oxides and / or Si0 2 and / or Si 3 N 4 and / or Al 2 0 3 and / and or that the insulating layer (4c) has a thickness of more than 0.5 nm and / or less than 1000 nm, particularly preferably of more than 5 nm and / or less than 200 nm.
13. Taupunktsensorelement nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (1B) der Kaltseite (1) des Peltierelements einen thermischen Isolationsbereich (lc) aufweist (Isolationsabschnitt) , wobei eine weitere, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaute Elektrodenstruktur (4') in Richtung von der Warmseite (3) zur Kaltseite (1) gesehen über dem bzw. hinter dem thermischen Isolationsbereich (lc) und unmittelbar angrenzend an den den thermischen Isolationsbereich (lc) aufweisenden Abschnitt (1B) der Kaltseite (1) des Peltierelements angeordnet ist und wobei die Elektrodenstruktur (4) unmittelbar angrenzend an einen den thermischen Isolationsbereich (lc) nicht aufweisenden Abschnitt (1A) der Kaltseite (1) des Peltierelements (Nicht-Isolationsab- schnitt) angeordnet ist.13. Dew point sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that a section (1B) of the cold side (1) of the Peltier element has a thermal insulation region (lc) (insulation section), a further electrode structure (1) constructed according to one of the preceding claims. 4 ') in the direction from the warm side (3) to the cold side (1) seen above or behind the thermal insulation region (lc) and immediately adjacent to the section (1B) of the cold side (1) of the thermal insulation region (lc) Peltier element is arranged and the electrode structure (4) is arranged directly adjacent to a section (1A) of the cold side (1) of the Peltier element (non-insulation section) that does not have the thermal insulation area (1c).
14. Taupunktsensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Temperaturfühler (6') und/oder ein weiteres aktiv beheizbares Heizelement (5') unmittelbar angrenzend an den Isolationsabschnitt (1B) angeordnet ist und dass der Temperaturfüh- 1er (6) und/oder das Heizelement (5) unmittelbar angrenzend an den Nicht-Isolationsabschnitt (1A) angeordnet ist. 14. dew point sensor element according to the preceding claim, characterized in that a further temperature sensor (6 ') and / or a further actively heatable heating element (5') is arranged immediately adjacent to the insulation section (1B) and that the temperature sensor (6) and / or the heating element (5) is arranged immediately adjacent to the non-insulation section (1A).
15. Taupunktsensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch und nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsabschnitt (1B) der Kaltseite (1) des Peltierelements einen elektrischen Isolationsbereich (la) aufweist, wobei von der Warmseite (3) aus gesehen in Richtung der Kaltseite (1) des Peltierelements in der nachfolgend genannten Reihenfolge im Isolationsabschnitt (1B) unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind: der elektrische Isolationsbereich (la) , an diesem angrenzend der thermische Isolationsbereich (lc) , den diesem angrenzend der funktionale Bereich (lb) und an diesem angrenzend die weitere Elektrodenstruktur (4'), der weitere Temperaturfühler (6') und das weitere Heizelement (5 ' ) .15. dew point sensor element according to the preceding claim and according to claim 3, characterized in that the insulation portion (1B) of the cold side (1) of the Peltier element has an electrical insulation region (la), viewed from the warm side (3) towards the cold side ( 1) of the Peltier element in the following sequence in the insulation section (1B) are arranged directly adjacent to one another: the electrical insulation area (la), adjacent to this the thermal insulation area (lc), the functional area (lb) adjacent to this and adjacent to this the further electrode structure (4 '), the further temperature sensor (6') and the further heating element (5 ').
16. Taupunktsensorelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Isolationsbereich (lc) eine thermisch isolierende Schicht aufweist, wobei die thermisch isolierende Schicht ein Material geringer spezifischer Wärmeleitfähigkeit enthält oder daraus besteht und/oder wobei die thermisch isolierende Schicht in Richtung von der Warmseite (3) zur Kaltseite (1) des Peltierelements bzw. senkrecht zur Oberfläche des Peltierelements eine Dicke aufweist, über die ein Tempera- turgradient zwischen dem Isolationsabschnitt (1B) und dem Nicht-Isolationsabschnitt (1A) von über 0.1 K, bevorzugt von über 0.5 K, bevorzugt von über 1 K, bevorzugt von über 2 K, bevorzugt von über 5 K, bevorzugt von über 10 K, bevorzugt von über 20 K einstellbar ist und/oder bevorzugt eine Dicke von über 10 nm und/oder unter 1000 μm, insbesondere bevorzugt von über 100 nm und/oder unter 100 μm, insbesondere bevorzugt von über 200 nm und/oder unter 10 μm aufweist.16. dew point sensor element according to one of claims 13 to 15, characterized in that the thermal insulation region (lc) has a thermally insulating layer, wherein the thermally insulating layer contains or consists of a material of low specific thermal conductivity and / or wherein the thermally insulating layer in Direction from the warm side (3) to the cold side (1) of the Peltier element or perpendicular to the surface of the Peltier element has a thickness over which a temperature gradient between the insulation section (1B) and the non-insulation section (1A) of more than 0.1 K, preferably over 0.5 K, preferably over 1 K, preferably over 2 K, preferred of more than 5 K, preferably more than 10 K, preferably more than 20 K, and / or preferably a thickness of more than 10 nm and / or less than 1000 μm, particularly preferably more than 100 nm and / or less than 100 μm, particularly preferably of more than 200 nm and / or less than 10 μm.
17. Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzei chne t durch eine monolithische Integration einer Ansteuer- und/oder einer Auswerteelektronik.17. dew point sensor element according to one of the preceding claims, gekennzei chne t by a monolithic integration of a control and / or evaluation electronics.
18. Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Heizelemente (5, 5') Platin und/oder Nickel und/oder Gold und/oder einen Leistungstransistor enthält oder daraus besteht.18. dew point sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that one of the heating elements (5, 5 ') contains or consists of platinum and / or nickel and / or gold and / or a power transistor.
19. Taupunktsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektrodenstrukturen (4, 4') Platin und/oder Nickel und/oder Gold und/oder Aluminium enthält oder daraus besteht .19. Dew point sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that one of the electrode structures (4, 4 ') contains or consists of platinum and / or nickel and / or gold and / or aluminum.
20. Taupunktsensorelement nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Temperaturfühler (6, 6') Platin und/oder Nickel und/oder Gold und/oder einen Thermistor und/oder eine Temperaturdiode enthält oder daraus besteht .20. Dew point sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that one of the temperature sensors (6, 6 ') platinum and / or nickel and / or gold and / or one Contains thermistor and / or a temperature diode or consists thereof.
21. Verfahren zur Taupunktbestimmung, insbesondere zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit, mittels ei- nes Taupunktsensorelements, wobei das Taupunktsensorelement über eine Kalt- seite (1) eines Peltierelements gekühlt wird, wobei der Eintrittszeitpunktes einer Feuchtigkeitskondensation mit einer Elektrodenstruktur (4) des Taupunktsensorelements bestimmt wird, wobei die Temperatur des Taupunktsensorelements zum Eintrittszeitpunkt der Feuchtigkeitskondensation mit einem Temperaturfühler (6) gemessen wird, und wobei nach der Bestimmung des Eintrittszeitpunktes der Feuchtigkeitskondensation und der Messung der Temperatur ein aktiv heizbares Heizelement (5) aufgeheizt wird, um auf dem Taupunktsensorelement ausgebildetes Kondensat zu ver- dunsten dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur (4) , der Temperaturfühler (6) und das Heizelement (5) unmittelbar an die Kaltseite (1) des Peltierelements angrenzend an- geordnet werden.21. Method for determining the dew point, in particular for determining the air humidity, by means of a dew point sensor element, the dew point sensor element being cooled via a cold side (1) of a Peltier element, the time of entry of moisture condensation being determined using an electrode structure (4) of the dew point sensor element. wherein the temperature of the dew point sensor element at the time of entry of the moisture condensation is measured with a temperature sensor (6), and wherein after the determination of the time of entry of the moisture condensation and the measurement of the temperature, an actively heatable heating element (5) is heated in order to verify condensate formed on the dew point sensor element - characterized in that the electrode structure (4), the temperature sensor (6) and the heating element (5) are arranged directly adjacent to the cold side (1) of the Peltier element.
22. Verfahren zur Taupunktbestimmung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Taupunktsensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 20 verwendet wird.22. A method for determining the dew point according to the preceding claim, characterized in that a dew point sensor element according to one of claims 1 to 20 is used.
23. Verfahren zur TaupunktbeStimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 22, dadurch gekennzeichnet , dass mit Hilfe der Elektrodenstruktur (4) über einen zur Bestimmung des Eintrittszeitpunktes der Feuchtigkeitskondensation verwendeten Messbereich ein elektrisches Feld erzeugt wird, wel- ches eine Homogenität bzw. eine maximale Schwankungsbreite von ± 10 %, bevorzugt ± 5 %, bevorzugt ± 2 %, bevorzugt ± 1 %, bevorzugt ± 0.5 %, bevorzugt ± 0.1 % aufweist .23. A method for determining the dew point according to one of claims 21 to 22, characterized in that an electrical field is generated with the aid of the electrode structure (4) over a measuring range used to determine the point in time at which the moisture condensation occurs, which has a homogeneity or a maximum fluctuation range of ± 10%, preferably ± 5%, preferably ± 2%, preferably ± 1%, preferably ± 0.5%, preferably ± 0.1%.
24. Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (1B) der Kaltseite (1) des Peltierelements mit einem thermischen Isolationsbereich (lc) versehen wird (Isolationsabschnitt) , dass eine weitere Elektrodenstruktur (4') in Richtung von einer Warmseite (3) des Peltierelements zur Kaltseite (1) gesehen über dem bzw. hinter dem thermischen Isolationsbereich (lc) und unmittelbar angrenzend an den den thermi- sehen Isolationsbereich (lc) aufweisenden Abschnitt (1B) der Kaltseite (1) des Peltierelements angeordnet wird und dass die Elektrodenstruktur (4) unmittelbar angrenzend an einen den thermischen Isolationsbereich (lc) nicht aufwei- senden Abschnitt (1A) der Kaltseite (1) des Pel- tierelements (Nicht-Isolationsabschnitt) angeordnet wird, dass das Taupunktsensorelement über die KaltSeite (1) gekühlt wird, bis im Bereich der Elektro- denstruktur (4) Eisbildung eintritt, dass nach Eintritt der Eisbildung die Abkühlgeschwindigkeit so vermindert wird, dass im Bereich der weiteren Elektrodenstruktur (4') Eisbildung vermieden wird und dass mit Hilfe eines an den Isolationsabschnitt (1B) unmittelbar angrenzend angeordneten Temperaturfühlers (6, 6') zum Eintrittszeitpunkt der Feuchtigkeitskondensation die Temperatur des Isolationsabschnitts (1B) gemessen wird, zur Er- mittlung des Taupunkts.24. Method for determining the dew point according to one of claims 21 to 23, characterized in that a section (1B) of the cold side (1) of the Peltier element is provided with a thermal insulation region (lc) (insulation section), that a further electrode structure (4 ') seen in the direction from a warm side (3) of the Peltier element to the cold side (1) above or behind the thermal insulation area (lc) and immediately adjacent to the section (1B) of the cold side (1c) which has the thermal insulation area (lc) of the Peltier element and that the electrode structure (4) immediately adjacent to a section (1A) of the cold side (1) of the Pel- animal element (non-insulation section) is arranged that the dew point sensor element is cooled via the cold side (1) until ice formation occurs in the area of the electrode structure (4), that after the ice formation occurs, the cooling rate is reduced so that in the area of the other Electrode structure (4 ') ice formation is avoided and that the temperature of the insulation section (1B) is measured with the aid of a temperature sensor (6, 6') immediately adjacent to the insulation section (1B) to determine the dew point.
25. Verfahren zur TaupunktbeStimmung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das der Eintritt der Eisbildung mit einem re- sistiven und/oder einem optischen Verfahren de- tektiert wird.25. Method for determining the dew point according to the preceding claim, characterized in that the occurrence of ice formation is detected using a resistive and / or an optical method.
26. Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Taupunktsensorelements durch die Abkühlung mittels der Kaltseite (1) des Peltierelements auf einen Wert unterhalb der Taupunkttemperatur, bei der eine Feuchtigkeitskondensation eintritt, gebracht wird, dass für das Peltierelement eine Kühlleistung so aufgewendet wird, dass die Temperatur des Taupunktsensorelements auf einem Wert unterhalb der Taupunkttemperatur gehalten wird, dass unter Beibehaltung dieser Kühlleistung die Temperatur des Taupunktsensorelements mittels des Heizelements (5) solange erhöht wird, bis auf dem Taupunktsensorelement ausgebildetes Kondensat verdunstet ist, und dass unter weiterer Beibehaltung dieser Kühl- leistung die Temperatur des Taupunktsensorelements mittels des Heizelements (5) , beispielsweise durch Verringerung der Heizleistung des Heizelements (5) oder durch Abschalten des Heizelements (5) , bis zum Eintrittszeitpunkt der Feuchtigkeitskondensation erniedrigt wird.26. The method for determining the dew point according to one of claims 21 to 25, characterized in that the temperature of the dew point sensor element is brought to a value below the dew point temperature at which moisture condensation occurs by cooling by means of the cold side (1) of the Peltier element the Peltier element spent a cooling capacity so is that the temperature of the dew point sensor element is kept below the dew point temperature, that while maintaining this cooling capacity, the temperature of the dew point sensor element is increased by means of the heating element (5) until condensate formed on the dew point sensor element has evaporated, and that while maintaining this Cooling power, the temperature of the dew point sensor element is reduced by means of the heating element (5), for example by reducing the heating power of the heating element (5) or by switching off the heating element (5), up to the point in time at which moisture condensation occurs.
27. Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittszeitpunkt der Feuchtigkeitskonden- sation in der Umgebungsluft anhand einer Kapazitätsänderung einer der Elektrodenstrukturen (4, 4') bestimmt wird.27. A method for determining the dew point according to one of claims 21 to 26, characterized in that the point in time at which the moisture condensation occurs in the ambient air is determined on the basis of a change in capacity of one of the electrode structures (4, 4 ').
28. Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittszeitpunkt der Feuchtigkeitskondensation in der Umgebungsluft anhand einer Widerstandsänderung einer der Elektrodenstrukturen (4, 4') bestimmt wird. 28. A method for determining the dew point according to one of claims 21 to 27, characterized in that the time of entry of the moisture condensation in the ambient air is determined on the basis of a change in resistance of one of the electrode structures (4, 4 ').
29. Verfahren zur TaupunktbeStimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet , dass der Eintrittszeitpunkt der Feuchtigkeitskonden- sation in der Umgebungsluft mit Hilfe eines auf die Sensoroberfläche angewandten optischen Verfahrens bestimmt wird.29. A method for determining the dew point according to one of claims 21 to 28, characterized in that the point in time at which the moisture condensation occurs in the ambient air is determined with the aid of an optical method applied to the sensor surface.
30. Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet , dass eine der Elektrodenstrukturen (4, 4') durch die photolithographische Strukturierung von Photore- sists, welche bevorzugt ein hohes Aspektverhältnis aufweisen und/oder unter Verwendung von Ätz- verfahren hergestellt wird.30. Method for determining the dew point according to one of claims 21 to 29, characterized in that one of the electrode structures (4, 4 ') by the photolithographic structuring of photoresists, which preferably have a high aspect ratio and / or using etching methods will be produced.
31. Verfahren zur TaupunktbeStimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Taupunktsensorelement auf Basis eines Dünn- schichtpeltierelements auf Waferbasis hergestellt wird.31. A method for determining the dew point according to one of claims 21 to 30, characterized in that the dew point sensor element is produced on the basis of a thin-layer Peltier element on a wafer basis.
32. Verfahren zur TaupunktbeStimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement während des Abkühlvorgangs mit einem rampenförmigen Strom und/oder nicht im Pulsbetrieb betrieben wird. 32. Method for determining the dew point according to one of claims 21 to 31, characterized in that the Peltier element is operated with a ramp-shaped current and / or not in pulse mode during the cooling process.
3. Verfahren zur Taupunktbestimmung nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Heizelemente (5, 5') unabhängig vom Peltierelement angesteuert und betrieben wird. 3. Method for determining the dew point according to one of claims 21 to 32, characterized in that one of the heating elements (5, 5 ') is controlled and operated independently of the Peltier element.
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