Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sen- soranordnung sowie auf ein Verfahren zur Taupunktmes¬ sung auf Basis von miniaturisierten Peltierelementen.

Sensoranordnungen und Verfahren zur Taupunktmessung bzw. zur Bestimmung des Zeitpunkts einer eintretenden Kondensation von Feuchtigkeit in der Umgebungsluft sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt . Die bekannten Taupunktsensoren bzw. -nachweisverfahren lassen sich nach ihrem Prinzip in optische Sensoren bzw. Verfahren (Streulichtmessung bzw. Reflektions- messung) , akustische Sensoren bzw. Verfahren und ka¬ pazitive Sensoren bzw. Verfahren untergliedern.

Bei den optischen Sensoren (wie z.B. bei Taupunkt¬ spiegeln) wird die Kondensatbildung optisch erfasst, wobei entweder das direkt reflektierte Licht gemessen und eine Intensitätsabschwächung bei Kondensation re¬ gistriert wird oder das durch die Kondensation er¬ zeugte Streulicht gemessen wird. Nachteile der opti- sehen Messverfahren sind die hohen Kosten sowie die hohe Empfindlichkeit der Anordnung gegenüber Verun¬ reinigungen: Mikroskopische Verunreinigungen wie Sal¬ ze können beispielsweise zu einer Änderung des Was¬ serdampfdruckes und somit zu Messfehlern führen.

Die akustischen Taupunktsensoren bzw. -nachweisver¬ fahren 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- Technology (kurz: SAW) erfolgt. Nachteile dieser Sen¬ soren bzw. Verfahren bestehen in der komplizierten Messtechnik, die für die Auswertung des Messsignals notwendig ist .

Bei den kapazitiven Sensoren bzw. Verfahren wird die Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante im Streufeld eines Kondensators bei der Betauung des Um¬ feldes 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 PeI- tierelement zur Kühlung des Chips. Schlägt sich Was- ser auf der Sensoroberfläche nieder, verursacht die¬ ses aufgrund seiner großen Dielektrizitätskonstante ε"2° «81 eine schlagartige Änderung der Sensorkapazi¬ tät, da die Dielektrizitätskonstante von Wasser we¬ sentlich 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 Auf¬ kleben) . Durch das Aufbringen eines solchen senso¬ risch aktiven Bauelementes (beispielsweise des Spie¬ gels bzw. des Sensorchips) ergibt sich eine große thermische Masse der Anordnung, welche zu hohen Zeit¬ konstanten bei der Kondensatbildung führt . Das Ver¬ dunsten der Feuchtigkeit von der Sensoroberfläche ge¬ schieht 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 Ver¬ flüchtigung der Oberflächenfeuchtigkeit. Insgesamt ergibt sich somit für die Taupunktmessgeräte nach dem Stand der Technik eine hohe Zeitkonstante und eine niedrige Messfrequenz.

Ein weiteres Problem bei den Taupunktmessgeräten nach dem Stand der Technik ist die Eisbildung. Besonders bei hohen Feuchtewerten gefriert bei zu schneller Ab- kühlung die kondensierte Feuchtigkeit und es bildet sich eine dünne Eisschicht (siehe hierzu beispiels¬ weise auch die Patentschrift DE 102 16 895 Al) . Diese Eisschicht kann aufgrund der geringen Dielektrizi¬ tätskonstante εf" «3 nur schwer von der umgebenden Luft unterschieden werden bzw. bei der Verwendung von Taupunktspiegeln sind aufwendige Korrekturen notwen¬ dig.

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.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher aus¬ gehend 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 erfin¬ dungsgemäßen Messverfahrens ist darüber hinaus eine Erhöhung der Messempfindlichkeit.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Taupunkt- sensorelement gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Ver¬ fahren zur Taupunktbestimmung nach Patentanspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungs¬ gemäßen Sensors sowie des erfindungsgemäßen Verfah- rens werden in den jeweiligen abhängigen Patentan¬ sprüchen beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung werden eine Elektrodenstruktur, ein Temperaturfühler und ein ak- tiv beheizbares Heizelement direkt auf bzw. unmittel¬ bar angrenzend an ein Peltierelement aufgebracht bzw. angeordnet. Das Aufbringen bzw. die Anordnung ge¬ schieht hierbei auf der Kaltseite des Peltierelemen- tes. Besonders geeignet sind miniaturisierte Peltie- relemente, welche vorteilhafterweise in Dünnschicht¬ technik gefertigt sind. Solche sind aus der DE 198 45 104 Al bekannt.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung hat den Vorteil, dass aufgrund ihrer geringen thermischen Masse und der daraus resultierenden geringen Ansprechzeit (MiI- lisekundenbereich) die Zeitkonstante für die Konden¬ satbildung 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 ver¬ dunstet werden und durch ein erneutes Abkühlen wie¬ derum sehr schnell ein neuer Messzyklus begonnen wer¬ den. Aufgrund der reduzierten Ansprechzeit und der verkürzten Verdunstungsperioden wird die maximale Messfrequenz somit deutlich gesteigert. Dies bringt speziell bei Einsätzen in Steuerungs- und Regelvor¬ gängen große Vorteile. Zudem wird durch das direkte Aufbringen der sensorisch aktiven Strukturen (Elekt¬ rodenstruktur sowie Temperaturfühler und Heizelement) eine kompaktere Bauform des Sensorelementes erreicht, da kein zusätzlicher Chip für die Elektrodenstruktur mehr notwendig ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Sensorelementes wird durch Erzeugung und Verwendung eines möglichst homogenen elektrischen Feldes zur Messung der Dielektrizitätskonstanten die zu messende Kapazität erheblich erhöht. Dies ge¬ schieht 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 Rich¬ tung senkrecht zur Sensoroberfläche) der Interdigi- talelektroden zum Abstand der einzelnen Interdigital- elektroden voneinander (in Richtung parallele zur Sensoroberfläche) vorzugsweise im Bereich von 0.5 bis 10 und ist hierbei insbesondere bevorzugt größer als 1.0.

Ein solches Dicken-zu-Abstandsverhältnis kann durch die photolithographische Strukturierung von speziel- len Photoresists mit einem sehr hohen Aspektverhält¬ nis oder durch besondere Ätzverfahren erreicht wer¬ den.

Aufgrund dieses erfindungsgemäßen Dicken-zu- Abstandsverhältnisses der Interdigitalelektroden sind die elektrisch leitenden Interdigitalelektroden vor¬ teilhafterweise mit einer dünnen elektrisch isolie¬ renden Schicht bedeckt. Hierdurch werden Kurzschlüs- se, welche durch Tropfenbildung verursacht werden könnten, verhindert. Diese zur Passivierung verwende¬ te dünne elektrisch isolierende Schicht kann bei¬ spielsweise aus Polymeren oder gassensitiven Metall- oxiden, insbesondere aus SiO2 oder Si3N4 bestehen. Das erfindungsgemäße Dicken-zu-Abstandsverhältnis der Interdigitalelektroden hat den Vorteil einer erhöhten Homogenität des zur Messung der Dielektrizi¬ tätskonstanten verwendeten elektrischen Feldes, wo¬ durch die zu messende Kapazität sowie die Messemp- findlichkeit deutlich erhöht werden. Hierdurch redu¬ ziert sich der messtechnische Aufwand sowie die An¬ fälligkeit für Messfehler.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvarian- te werden zur Vermeidung von Messfehlern aufgrund eintretender Eisbildung erfindungsgemäß zwei Elektro¬ denstrukturen, vorteilhafterweise zwei identische Elektrodenstrukturen, auf die Kaltseite eines PeI- tierelements aufgebracht, wobei sich unter einer der Elektrodenstrukturen eine zusätzliche thermisch iso¬ lierende 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 Tempera¬ turniveau (der benötigte Temperaturgradient kann über die Dicke der thermisch isolierenden Schicht einge- stellt werden) . Aus diesem Grund findet eine Verei¬ sung zuerst auf der Elektrodenstruktur ohne thermisch isolierende Unterlage statt (Referenzelektrode) . Der Eintritt der Vereisung auf der Elektrodenstruktur oh¬ ne thermisch isolierende Unterlage kann dann mit ent- sprechenden Verfahren (beispielsweise resistiv oder optisch) detektiert werden. Bei der beschriebenen An¬ ordnung wird solange abgekühlt, bis auf der Elektro¬ denstruktur ohne zusätzliche thermisch isolierende Schicht eine Vereisung eintritt. Diese Vereisung bzw. deren Eintrittszeitpunkt wird bestimmt und das sol¬ chermaßen bestimmte Messsignal bzw. der Zeitpunkt der Vereisung wird dazu verwendet, den Abkühlprozess des Peltierelementes so zu verlangsamen, dass eine Eis¬ bildung auf der zweiten Elektrode (die im Gegensatz zu der als Referenzelektrode verwendeten Elektroden¬ struktur ohne thermisch isolierende Schicht als Mess¬ elektrode verwendet wird) verhindert wird. Vorteil dieser Anordnung ist, wie bereits beschrieben die Vermeidung von Messfehlern aufgrund von eintre- tender Eisbildung.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Taupunktsenso- ren bestehen darin, dass ein erfindungsgemäßer Tau¬ punktsensor keine weiteren Bauteile benötigt und spe- ziell bei Verwendung von Dünnschichtpeltierelementen auf Waverbasis produziert werden kann. Aus diesem Grund kann vorteilhafterweise die Ansteuer- und Aus¬ wertesteuerelektronik 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 Bezugs¬ zeichen verwendet.

Es zeigt Figur 1 den prinzipiellen erfindungsgemäßen Sensoraufbau.

Es zeigt Figur 2 einen Schnitt durch den Sensoraufbau von Figur 1 zur näheren Erläuterung der Elektroden¬ struktur.

Es zeigt Figur 3 einen Schichtaufbau und eine Sensor¬ anordnung zur Vermeidung von Messfehlern aufgrund von Vereisung.

Es zeigt Figur 4 Temperaturverläufe der Anordnung aus Figur 3.

Es zeigt Figur 5 einen weiteren Temperaturverlauf bei der Anordnung aus der Figur 1.

Figur 1 erläutert den prinzipiellen Aufbau und die prinzipielle Sensoranordnung eines erfindungsgemäßen Taupunktsensors. In dreidimensionaler Ansicht ist zu¬ nächst ein Dünnschichtpeltierelement skizziert. Die¬ ses weist eine Warmseite 3 auf, auf der insgesamt fünf thermoelektrische Schenkel 2a aus Wismuttellurid Bi2Te3 und fünf thermoelektrische Schenkel 2b aus Bleitellurid in Form langgestreckter Quader jeweils abwechselnd an ihren Langseiten miteinander in Rei¬ henschaltung verbunden sind. Auf der thermoelektri- sehen Einheit 2 (welche aus den beiden genannten oder allgemein aus unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien besteht) ist die Kaltseite 1 des Peltie- relementes 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 be¬ trägt die genannte Dimension eines im Rahmen der Er- findung eingesetzten Peltierelementes bevorzugt klei¬ ner 5 mm x 5 mm, bevorzugt kleiner als 1 mm x 1 mm und insbesondere bevorzugt kleiner als 1 μm x 1 μm) .

Die Kaltseite 1 des Peltierelementes besteht aus ei- ner Grundstruktur Id, welche unmittelbar angrenzend an die thermoelektrischen Einheit 2 oberhalb dieser thermoelektrischen Einheit 2 angeordnet ist. Unmit¬ telbar angrenzend an die Grundstruktur Id ist ober¬ halb der Grundstruktur Id eine dünne Isolations- schicht Ia angeordnet. Die Kaltseite weist darüber hinaus eine dünne funktionale Schicht Ib auf, welche unmittelbar angrenzend an die Isolationsschicht Ia oberhalb der Isolationsschicht Ia angeordnet ist. Die funktionale Schicht Ib ist aufgebracht, um die Bekei- mung der Sensoroberfläche zu reduzieren, wodurch eine vorzeitige Kondensatbildung und eine daraus resultie¬ rende Verfälschung des Messergebnisses unterdrückt wird. Die Isolationsschicht Ia weist hier eine Dicke von 100 nm auf und besteht aus SiO2. Sie kann auch aus Si3N4 bestehen. Generell ist die Isolations¬ schicht Ia bevorzugt mindestens 10 nm und höchstens 2 μm, insbesondere bevorzugt 50 bis 300 nm dick. Un¬ ter dem Begriff Dicke wird hier wie im folgenden so¬ fern nichts anderes gesagt die Ausdehnung in Richtung senkrecht zur Oberfläche der Kaltseite 1 bzw. in Richtung von der Warmseite 3 zur Kaltseite 1 verstan- den. Die funktionale Schicht Ib weist eine Dicke von 100 nm auf. Generell ist diese Schicht bevorzugt min¬ destens 10 nm und höchstens 2 μm dick, besonders be¬ vorzugt zwischen 50 und 300 nm dick. Die funktionale Schicht Ib besteht aus einem Polymer. Sie kann auch aus SiO2 oder ganz generell aus hydrophoben und/oder hydrophilen Materialien bestehen oder diese aufwei¬ sen. Die Grundstruktur Id besteht aus Si, kann jedoch auch aus Keramik bestehen. Sie ist 800 μm dick. Ihre Dicke liegt generell bevorzugt zwischen 100 μm und 4 mm, insbesondere zwischen 500 μm und 1000 μm.

Erfindungsgemäß sind eine Elektrodenstruktur 4, ein aktiv beheizbares Heizelement 5 und ein Temperatur- fühler 6 unmittelbar angrenzend an bzw. direkt auf der funktionalen Schicht Ib angeordnet. Das im darge¬ stellten Fall U-förmige aktive Heizelement 5 um¬ schließt hierbei die Elektrodenstruktur 4 bzw. die Elektrodenstruktur 4 ist innerhalb des Innenraums des „U" angeordnet. Generell sind für die Elektrodenan¬ ordnung 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 Temperaturfüh¬ lers 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 er¬ scheinen somit die einzelnen Enden der kammförmigen Elektroden 4a und 4b jeweils abwechselnd nebeneinan- der angeordnet. An ihrem dem Temperaturfühler 6 zuge¬ wandten Ende weisen die Elektroden 4a und 4b eben¬ falls eine Verdickung auf (Ansteuerkontakt) .

Im dargestellten Fall bestehen die Elektroden 4a und 4b aus Platin, das aktive Heizelement 5 besteht aus Platin und der Temperaturfühler 6 besteht ebenfalls aus Platin. Die Basis des dargestellten Sensorele¬ ments ist das miniaturisierte Peltierelement 1, 2, 3. Da die Grundstruktur Id der Kaltseite aus einem elektrisch leitenden Material besteht (da das vorlie¬ gende Peltierelement in Dünnschicht gefertigt ist) , wird zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen die dünne Isolationsschicht Ia aufgebracht. Direkt auf der Isolationsschicht Ia befindet sich die dünne funktionale Schicht Ib, auf der wiederum direkt die Strukturen 4, 5 und 6 aufgebracht sind. Die Elektro¬ denstrukturen 4 befinden sich somit direkt auf der Kaltseite 1 des Peltierelementes. Das aktive Heizele¬ ment 5 und der Temperaturfühler 6 zur Bestimmung der aktuellen Oberflächentemperatur befinden sich eben¬ falls direkt auf der Kaltseite 1.

Figur 2 als Schnitt in der Ebene A-A durch die in Fi¬ gur 1 dargestellte Anordnung (Schnittebene senkrecht zur Oberfläche des Sensorelementes) zeigt die Elekt¬ rodenstruktur 4 genauer. Zur vereinfachten Darstel¬ lung 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 Ib sind mehrere nebenein¬ ander 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 Iso¬ lationsschicht 4c versehen. Die Isolationsschicht 4c umgibt die Elektroden bzw. Elektrodenabschnitte mit Ausnahme der unmittelbar an die funktionale Schicht Ib angrenzenden Seite der Elektroden vollständig. Bei der Isolationsschicht 4c handelt es sich im darge¬ stellten Fall um eine polymerbasierte Isolator¬ schicht. Die Dicke der Elektroden bzw. der Elektro¬ denstrukturen 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.

Um einen möglichst hohen homogenen Anteil des ange- legten elektrischen Feldes zu erreichen, sind im dar¬ gestellten 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 hervorgeru¬ fen und nicht wie bei den bekannten Anordnungen nach dem Stand der Technik durch Änderung der Streufeldka¬ pazität. Dadurch sind ein größerer Messeffekt und ge¬ nauere Messergebnisse möglich. Aufgrund des ver¬ gleichsweise geringen Abstandes a sind zur Vermeidung von Kurzschlüssen infolge zu großer Wassertropfen die Elektroden 4 mit der dünnen elektrisch isolierenden Schicht 4c versehen. Bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Anordnung ist der Zeitpunkt der eintreten¬ den Kondensation der Feuchtigkeit in der Umgebungs- luft anhand einer Kapazitätsänderung der auf der Sen¬ soroberfläche bzw. Kaltseite 1 des Peltierelementes aufgebrachten Elektroden 4a und 4b ermittelbar. Al¬ ternativ hierzu kann dieser Zeitpunkt auch anhand ei¬ ner Widerstandsänderung der Elektroden 4a und 4b er- mittelt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Ermittlung des Zeitpunkts durch optische Verfah¬ ren, welche auf der Sensoroberfläche angewendet wer¬ den (beispielsweise Messung von reflektiertem Licht oder von Streulicht) . Mit dem aktiven Heizelement 5 wird die Sensoroberfläche beheizt, um auf der Ober¬ fläche kondensierte Feuchtigkeit wieder zu verduns¬ ten. Das Heizelement 5 ist hierbei unabhängig vom Peltierelement 1, 2, 3 ansteuerbar und betreibbar.

Figur 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Sensoran¬ ordnung, welche der Vermeidung von Messfehlern auf¬ grund von Vereisung dient. Die gezeigte Anordnung ist grundsätzlich bis auf eine zweite Aktivstruktur (be¬ stehend aus Elektrodenstruktur, Heizelement und Tem- peraturfühler) sowie eine zusätzliche thermisch iso¬ lierende Schicht identisch mit der in Figur 1 und 2 gezeigten Anordnung. Die zusätzliche thermisch iso- lierende Schicht Ic ist auf einer Hälfte der Oberflä¬ che des Peltierelementes bzw. dessen Kaltseite 1 zwi¬ schen der elektrisch isolierenden Schicht Ia und der funktionalen Schicht Ib 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 Id, darauf angeordneter elektrisch isolierender Schicht Ia, darauf angeordneter ther- misch isolierender Schicht Ic und darauf angeordneter Funktionalschicht Ib auf. In der in Figur 3 links dargestellten Hälfte weist die Kaltseite 1 des Pel¬ tierelementes demgegenüber einen dreilagigen Schicht- aufbau bestehend aus Grundstruktur Id, elektrisch isolierender Schicht Ia und funktionaler Schicht Ib auf (wie in der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Sensoranordnung) . Die in der rechten Hälfte der dar¬ gestellten Sensoranordnung zwischen elektrisch iso¬ lierender Schicht Ia und funktionaler Schicht Ib ein- gebrachte thermische Isolationsschicht Ic weist eine an den benötigten Temperaturgradient angepasste Dicke (in Richtung senkrecht zur Sensoroberfläche) auf. Ge¬ nerell ist die thermische Isolationsschicht Ic somit so auszugestalten, dass der benötigte Temperaturgra- dient über ihre Schichtdicke eingestellt wird.

Der die Isolationsschicht Ic aufweisende Teil bzw. Abschnitt der Sensoranordnung bzw. der Kaltseite 1 wird im Folgenden auch mit dem Bezugszeichen IB 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 IA gekennzeich¬ net. Im Teilbereich IA bzw. im Nicht-Isolations- bereich ist wie bereits in den Figuren 1 und 2 ge¬ zeigt oberhalb der funktionalen Schicht Ib 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 Ib des Teilbereichs IB bzw. des Isolationsbereichs ist eine zweite Aktiv¬ struktur bestehend aus zweiter Elektrodenstruktur 4', zweitem aktiven Heizelement 5' und zweitem Tempera¬ turfühler 6' unmittelbar angrenzend an die funktiona¬ le Schicht Ib angeordnet. Die beiden Aktivstrukturen 4, 5, 6 und 4', 5' ,6' entsprechen in ihrem Aufbau und in ihrer Anordnung bzw. in ihrer Geometrie den ent¬ sprechenden in den Figuren 1 und 2 gezeigten Elemen¬ ten. Die Elektrodenstruktur 4 des Teilbereichs IA dient als Referenzelektrodenstruktur. Die Elektroden- struktur 4' des Teilbereichs IB dient als Messelek¬ trodenstruktur. Die zusätzliche thermisch isolierende Schicht Ic befindet sich somit im Schichtaufbau un¬ terhalb der zweiten Elektrodenstruktur 4' bzw. der Messelektrodenstruktur 4' .

Wird das dargestellte Sensorelement abgekühlt, so entsteht durch die lediglich im Bereich der Mess¬ elektrodenstruktur 4' eingebrachte thermisch isolie¬ rende Schicht Ic während des Abkühlvorgangs ein Tem- peraturgradient zwischen der Messelektrode 4' und der Referenzelektrode 4. Aufgrund dieses Temperaturunter¬ schiedes bzw. dieses Temperaturgradienten findet auf der Referenzelektrode 4 zuerst eine Vereisung statt . Das Eintreten der Eisbildung auf der Referenzelektro¬ de 4 wird mit entsprechenden Verfahren (z.B. mit re- sistiven Verfahren) festgestellt und dient als Signal zur Verlangsamung des Abkühlvorgangs .

Wird somit eine Vereisung der Referenzelektroden¬ struktur 4 bzw. des Teilbereiches IA 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. Vorteilhafter¬ weise wird das Peltierelement 1, 2, 3 während des Ab- kühlvorgangs mit einem rampenförmigen Strom betrie¬ ben, wie er in Figur 4 (siehe nachfolgend) darge¬ stellt 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.

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 Tem¬ peratur 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 ge¬ ringeren 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 Pel¬ tierelementes 1, 2, 3. Aufgrund der Abkühlung erfolgt zuerst (besonders bei hohen Feuchtewerten) eine Eis- bildung auf der Referenzelektrode 4. Der Abkühlvor¬ gang wird danach soweit verlangsamt weiter fortge¬ führt, 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 be¬ stimmt. Nachdem der Taupunkt Tp bestimmt wurde, wird das Peltierelement sofort ausgeschaltet und die Ober- flächenfeuchtigkeit mittels aktiviertem Heizelement 5' verdunstet sowie die Eisschicht mittels aktivier¬ tem Heizelement 5 abgetaut und ebenfalls verdunstet. Anschließend beginnt der beschriebene Messzyklus er¬ neut .

Figur 5 dient der Beschreibung einer weiteren mögli- chen Betriebsart des in Figur 1 dargestellten Tau¬ punktsensorelements. Eine solche Betriebsart ist, auch wenn sie nachfolgend anhand des in Figur 1 ge¬ zeigten Taupunktsensorelements beschrieben wird, je¬ doch 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 Heiz¬ element 5 über der Zeit t bei der in Figur 1 darge¬ stellten 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. Die Kühlleistung ist so gewählt, dass bei ausgeschal¬ tetem Heizelement 5 die Temperatur der Sensoroberflä¬ che konstant unterhalb der Taupunkttemperatur Tp gehalten wird. Demgegenüber wird das Heizelement 5 im Zeitintervall [0, t0] nicht betrieben bzw. geheizt (Heizleistung 0 Watt, symbolisiert durch die Bezeich¬ nung „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 Zeitintervalls [ti, t2] wird die Heizleistung mit konstanter Rate verringert, so dass die Heizleistung zum Zeitpunkt t2 wieder 0 Watt beträgt. Für den Zeit¬ raum t > t2 wird dann keine Heizleistung aufgewandt. Die für das Peltierelement 1, 2, 3 aufgewandte Kühl¬ leistung KP ist nun wie beschrieben so gewählt, dass die Sensoroberfläche des Taupunktsensorelements (ge¬ nauer 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 Heizele¬ ment 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 Er¬ wärmung der Sensoroberfläche beträgt die Temperatur der Messelektrode T0. Zum Zeitpunkt t0 (zu dem das Heizelement 5 eingeschaltet wird) beginnt die Erwär¬ mung der Messelektrode M. Dies führt zu einem kon¬ stanten Temperaturanstieg der Temperatur der Mess- elektrode M im Zeitintervall [t0, tx] bis auf die Temperatur Ti oberhalb der Taupunkttemperatur Tp. Nachdem zum Zeitpunkt ti die Verringerung der Heiz¬ leistung beim Heizelement beginnt, kommt es zu einer langsamen und linearen Temperaturabnahme der Tempera¬ tur der Messelektrode M während des Zeitintervalls [ti, t2] . Durch Verringerung der Heizleistung des Heizelementes kühlt während dieses Zeitintervalls so¬ mit die Sensoroberfläche langsam ab und es kommt zur Betauung der Elektrode 4 : Diese tritt zum Zeitpunkt tp ein. Dieser Betauungsvorgang wird dann, wie vor¬ stehend für Figur 4 beschrieben, über den Kapazitäts¬ anstieg der Messelektrode 4 festgestellt. Zu diesem Zeitpunkt tp wird dann, wie bereits vorher beschrie¬ ben, mit Hilfe des Temperaturfühlers 6 der Taupunkt Tp bzw. die am Taupunkt vorliegende Temperatur Tp be¬ stimmt. 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 Heizele¬ ment 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 Sensorober¬ fläche angeordnet ist) geregelt wird und nicht über das Peltierelement 1, 2, 3 wie vorstehend bei Figur 4 beschrieben, können die einzelnen Messzyklen schnei- ler durchgeführt werden. Somit kann die Messrate er¬ höht werden.