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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
Vorrichtung bzw. einem Verfahren zur Messung der Konzentration eines
Stoffes nach der Gattung der neben geordneten Ansprüche. Zur
Feuchtemessung sind verschiedene Verfahren je nach Anforderung gängig, beispielsweise
die Messung mittels Absorptionsröhren,
die Messung mittels Infrarot-Absorption
und ähnliches.
Nachteilig hierbei ist, dass bei verschiedenen Sensortypen hohe
Kosten für
Material bzw. Fertigung anfallen.
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Vorteile der
Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben dem gegenüber den
Vorteil, dass es möglich
ist, solche Vorrichtungen bzw. solche Verfahren mit besonders geringen
anfallenden Kosten vorzusehen. Zur Messung der Feuchte, beispielsweise
eines Gasvolumens, wird erfindungsgemäß insbesondere zur Erzielung
geringer Kosten, Sensoren bzw. erfindungsgemäße Vorrichtungen mit einem
Polymer-Sensor gewählt.
Hier wird auf einem Substrat eine spezielle Polymer-Schicht aufgebracht.
Das Polymer ändert,
abhängig
vom relativen Feuchtegehalt, beispielsweise seine Kapazität bzw. Permittivität oder auch
eine andere elektrisch messbare Eigenschaft. Diese Kapazität bzw. auch die
andere elektrische Eigenschaft wird über eine Elektrodenstruktur
aufgenommen und von der Ansteuerschaltung ausgewertet. Erfindungsgemäß vorteilhaft
ist es, eine erfindungsgemäße Vorrichtung bzw.
einen Feuchtesensor auf der Basis eines Polymers vorzuschlagen,
wobei diese Vorrichtung einen Selbsttest oder sogar eine Selbstkalibration
ermöglicht.
Dies bedeutet, dass eine Aussage über die Funktionsfähigkeit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
von dieser gemacht werden kann, obwohl keine Angabe eines definieren
bzw. bekannten Feuchtegehalts als Referenz vorliegt.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den
nebengeordneten Ansprüchen
angegebenen Vorrichtung bzw. dem Verfahren möglich. Besonders vorteilhaft
ist, dass die Vorrichtung eine Temperatursensiereinrichtung im Bereich
der Detektionssubstanz vorsieht. Dadurch ist es möglich, eine
erfindungsgemäße Temperaturerhöhung bzw.
eine Temperaturerniedrigung gezielt und kontrolliert durchzuführen. Weiterhin
ist es von Vorteil, dass die Heizeinrichtung zur Temperatursensierung
geeignet ist. Hierzu genügt
lediglich das Vorsehen einer Heizeinrichtung, die gleichzeitig als
Temperatursensiereinrichtung funktioniert, beispielsweise durch
die Vorsehung eines elektrischen Widerstandes im Bereich der Detektionssubstanz.
Dies hat weiterhin den Vorteil, dass die Temperaturmessung am Ort
der Feuchtemessung stattfindet. Weiterhin ist es von Vorteil, dass
eine durch die Heizeinrichtung bewirkte Temperaturveränderung
der Detektionssubstanz vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, bei
einem definierten Temperatursprung in der Detektionssubstanz eine
elektrisch messbare Eigenschaft in Abhängigkeit der Konzentration
des Stoffes zu bestimmen. Weiterhin ist von Vorteil, dass die Temperaturveränderung
eine Temperaturerhöhung
und darüber
hinaus die Temperaturveränderung
nur von kurzer Dauer ist. Dadurch ist es mit einfachen Mitteln, beispielsweise
mittels einer Widerstandseinrichtung, möglich, eine Temperaturveränderung
zu bewirken. Weiterhin ist es dadurch möglich, die Temperaturveränderung
der Detektionssubstanz von der Wechselwirkung der Detektionssubstanz
mit dem zu detektierenden Stoff zu entkoppeln. Die Temperaturveränderung
spielt sich dann beispielsweise in sehr viel kürzerer Zeit ab als die Einpendelung
des Gleichgewichts der Konzentration des zu detektierenden Stoffes
in der Detektionssubstanz. Weiterhin ist es von Vorteil, dass der
Stoff Wasser bzw. Feuchtigkeit ist und dass die elektrisch messbare
Eigenschaft eine Kapazität
oder ein Widerstand ist. Dadurch wird es erfindungsgemäß möglich, mit
einfachen Mitteln einen Feuchtesensor zu schaffen, welcher kapazitiv oder über Messungen
des Widerstands einer Elektrodenanordnung ausgewertet wird. Weiterhin
ist es von Vorteil, dass die Detektionssubstanz ein Polymer ist.
Dadurch ist es mit besonders kostengünstigen Mitteln möglich, eine
erfindungsgemäße Vorrichtung bzw.
einen Feuchtesensor zu schaffen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 den
Zusammenhang zwischen der Konzentration eines Stoffes und der Temperatur,
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2 den
Zusammenhang zwischen einer abgewandelten Darstellung der Konzentration
des Stoffes und einer Messsignalveränderung,
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3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
in Schnittdarstellung
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4 eine
Vorstufe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Draufsicht
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5 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
in Draufsicht mit der Detektionssubstanz und
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6 ein
Zeitablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen einer Konzentration 200 in
Abhängigkeit
der Temperatur 100 dargestellt, wobei im folgenden Ausführungsbeispiel
als Beispiel des Stoffes, dessen Konzentration zu bestimmen ist,
Wasser herangezogen ist. Speziell soll mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Feuchte bzw. den Feuchtigkeitsgehalt in der Umgebung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen
werden, beispielsweise also in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung
umgebenden Volumen. Hierzu sind folgende Zusammenhänge zu berücksichtigen:
Die
in 1 auf der Ordinate
angegebene Achse entspricht. in logarithmischem Maßstab, der
Konzentration des Stoffes Wasser in einem Gas, beispielsweise in
Luft. Die Konzentration des Wassers bzw. die Konzentration der Feuchtigkeit
wird erfindungsgemäß auch als
absolute Feuchte angegeben und in mol% ausgedrückt.
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Hierbei bezeichnet die absolute Feuchte 200 das
Verhältnis
der Molekülanzahl,
d.h. auf der Ordinate in 1 sind
die mol % der Feuchte bzw. des Wassers an dem Gas angegeben. Die
im Beispiel der 1 angegebene
Abszisse bezeichnet eine Temperaturachse, wobei die Temperatur mit 100 bezeichnet
ist. Weiterhin sind in 1 eine
erste Kurve 94, eine zweite Kurve 95, eine dritte
Kurve 96, eine vierte Kurve 97 und eine fünfte Kurve 98 dargestellt.
Die erste Kurve 94 gibt an, welche absolute Feuchte bestehen
muss, wenn bei einer vorgegebenen Temperatur die relative Feuchte 100 %
betragen soll. Beispielsweise schneidet die erste Kurve 94 die
10 %-Linie der Konzentration 200 bei einer Temperatur von etwa
45°C. Dies
besagt, dass bei 45°C
und einer relativen Feuchte von 100 % eine absolute Feuchte von 10
mol % vorherrschen muss. Die zweite Kurve 95 ergibt den
entsprechenden Zusammenhang für
80 % relativer Feuchte an. Die dritte Kurve 96 gibt den
entsprechenden Zusammenhang für
60 % relativer Feuchte an und die vierte Kurve 97 gibt
den entsprechenden Zusammenhang für eine relative Feuchte von
40 % an. Die fünfte
Kurve 98 gibt den entsprechenden Zusammenhang für eine relative
Feuchte von 20 % an.
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Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist ebenfalls aus 1 ersichtlich.
Ziel der vorliegenden Vorrichtung bzw. des vorliegenden Verfahrens
ist es, die Konzentration eines Stoffes in einer Detektionssubstanz
zu bestimmen. Hierzu wird eine erste Messung durchgeführt, welche
unter Verhältnissen
stattfindet, die in 1 mit
einem ersten Punkt 90 bezeichnet sind, also bei einer Temperatur von
ca. 25°C
und einem absoluten Feuchtegehalt von 1,5 mol %. Hierbei stellt
sich beispielsweise eine relative Feuchte von 40 % ein, weil der
erste Punkt 90 auf der vierten Kurve 97 liegt. Wird die
Detektionssubstanz erwärmt,
d.h. bewegt man sich in 1 von dem
ersten Punkt 90 zu einem zweiten Punkt 91, der derselben
absoluten Feuchte von 1,5 mol % entspricht, jedoch bei 35°C liegt,
so wird in diesem Fall eine relative Feuchte von 20 % gemessen,
weil der zweite Punkt 91 auf der fünften Kurve 98 liegt.
Es ist also beim ersten Punkt 90 eine erste Temperatur
eingestellt und beim zweiten Punkt 91 eine zweite Temperatur
eingestellt. Diese Temperaturen unterscheiden sich um eine Temperaturdifferenz,
die im Folgenden auch mit dem Bezugszeichen 110 bezeichnet
ist. Erfindungsgemäß ist es
nun so, dass die Detektionssubstanz eine elektrisch messbare Eigenschaft
aufweist, welche sich bei einer vorgegebenen ersten Temperatur zur
Messung der Konzentration 200 in Abhängigkeit der relativen Feuchte,
d.h. entsprechend der ersten bis fünften Kurve 94–98, ändert. Dies
ist in 2 dargestellt.
Auf der Abszisse ist, mit dem Bezugszeichen 201 bezeichnet,
eine leicht veränderte
Darstellung der Konzentration 200 dargestellt. Angegeben
ist die Konzentration 200 in 2, nicht
in der Einheit mol %, sondern in der Einheit Temperatur des Taupunktes.
Dieser Wert lässt
sich für
das gegebene Beispiel (erster Punkt 90) durch Extrapolation
der Verbindungslinie vom ersten Punkt 90 zum zweiten Punkt 91 bis
zur ersten Kurve 94 gewinnen. Der Abszissenwert des Schnittpunktes
einerseits der extrapolierten horizontalen Linie zwischen dem ersten
Punkt 90 und dem zweiten Punkt 91 und andererseits
der ersten Kurve 94 entspricht dem Taupunktwert. Die Ordinate 300 der 2 gibt an, wie sich die
Messwerte der elektrisch messbaren Eigenschaft ändert, wenn die Temperatur
der Detektionssubstanz um den Temperaturunterschied 110 verändert wird.
Hierzu ist in 2 eine
sechste Kurve 99 angegeben, welche den Zusammenhang der
relativen Signaländerung
zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert bzw. dem ersten Wert
und dem zweiten Wert in Abhängigkeit
der Konzentration 200 bzw. der Taupunktstemperatur 201 angibt
In 3 ist eine Querschnittsansicht
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Auf einem Substrat 20 ist eine Schicht 34 vorgesehen,
welche in einem Teilbereich eine dünne Membran 30 bildet.
Im Bereich der Membran 30 befindet sich die Detektionssubstanz 40 sowie
Elektroden 50 und eine Heizeinrichtung 60.
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In 4 ist
eine Vorstufe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Draufsicht dargestellt, wobei jedoch in 4 die Detektionssubstanz 40 nicht
dargestellt ist, sondern lediglich die Membran 30, die Elektroden 50 und
die Heizstruktur 60.
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In 5 ist
die erfindungsgemäße Vorrichtung
in Draufsicht dargestellt, wobei wiederum mittels des Bezugszeichens 30 die
Membran und mittels des Bezugszeichens 40 die Detektionssubstanz
bezeichnet ist.
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In 3 ist
weiterhin noch der Stoff 45 angedeutet, dessen Konzentration
mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
messbar sein soll. Dieser Stoff 45 lagert sich insbesondere
teilweise in die Detektionsschicht 40 ein und verändert dadurch
ihre elektrisch messbare Eigenschaft wie beispielsweise die über die
Elektroden 50 messbare Kapazität oder den Widerstand der Detektionssubstanz 40.
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In G ist
ein Zeitablaufdiagramm zur Darstellung der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt. Auf der Abszisse ist der zeitliche Verlauf 120 angegeben.
Eine siebte Kurve 142 gibt den zeitlichen Verlauf der Temperatur
zwischen der ersten Temperatur 101 und einer zweiten Temperatur
102 an. Die Temperaturachse
100 ist ebenfalls in 6 eingezeichnet. Im unteren
Teil der 6 ist mit einer
achten Kurve 141 der zeitliche Verlauf der gemessenen Werte
der messbaren Eigenschaft. angegeben. Eine mit dem Bezugszeichen 150 versehene
Achse, die als Pfeil dargestellt ist, ist zur Verdeutlichung der
Achse der messbaren Eigenschaft in 6 dargestellt.
Der Wert der messbaren Eigenschaft schwankt in 6 zwischen einem ersten Wert 151 und
einem zweiten Wert 152. Bei einem in 6 mit dem Bezugszeichen T1 dargestellten
Zeitpunkt wird die Heizeinrichtung 60 der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beheizt, d.h. beispielsweise mit Strom versorgt, so dass sich die
Detektionssubstanz 40, ausgehend von ihrer ersten Temperatur
101 auf die zweite Temperatur 102 erwärmt. Als typischer Temperaturunterschied 110 ist
erfindungsgemäß beispielsweise
10°C gewählt. Zu
diesem Zeitpunkt T1 beginnt sich auch der Messwert der Messung der elektrisch
messbaren Eigenschaft der Detektionssubstanz 40, ausgehend
von dem ersten Wert 151 (bei Gleichgewichtsbedingungen) zu verändern. Der Wert
der Messung der zu messenden Eigenschaft der Detektionssubstanz 40 steigt
während
der Zeit der Erwärmung
der Detektionssubstanz auf die zweite Temperatur 102, d.h. während eines
Zeitintervalls zwischen dem ersten Zeitpunkt T1 und einem zweiten
Zeitpunkt T2 bis auf den zweiten Wert 152. Hierdurch ergibt
sich ein Unterschied der Messwerte, der in der 6 mit dem Bezugszeichen 153 versehen ist.
Dieser Unterschied ist erfindungsgemäß charakteristisch für die Konzentration
des Stoffes 45 in der Detektionssubstanz 40. Im
Anschluss an den zweiten Zeitpunkt T2 geht die achte Kurve wieder
zum ersten Wert 151 zurück,
jedoch mit einer größeren Zeitkonstante,
d.h. in einer größeren Zeitspanne.
Aus dem Kurvenverlauf der achten Kurve 141 ist erfindungsgemäß eine Aussage über die
Absorptionseigenschaften der Detektionssubstanz 40 und
damit über die
Funktionsfähigkeit
des Sensor ableitbar. Damit ist also ein Selbsttest des Sensors
möglich.
Ein Beispiel einer solchen Änderung
der Werte 151, 152 in Abhängigkeit der Konzentration,
hier am Beispiel der Feuchte veranschaulicht, ist in 2 dargestellt. Die Ordinate 300 gibt
die relative Änderung
des Messwertes der zu messenden elektrischen Eigenschaft, der in 6 mit dem Bezugszeichen 153 bezeichnet ist,
dar.
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Erfindungsgemäß ist die Detektionssubstanz insbesondere
als Polymer vorgesehen. Das Polymer nimmt die Luftfeuchtigkeit aus
der Umgebung auf und baut es in den Polymer-Verbund ein. Das Kapazitätssignal
als Beispiel eines in 6 dargestellten
und mit dem Bezugszeichen 141 versehenen Verlaufs der Messwerte
der zu messenden Eigenschaft. ändert
sich aufgrund der Polarität
der eingebauten Wassermoleküle
in das Polymer bzw. in die Detektionssubstanz 40. Hierbei
können
auch strukturelle Änderungen
der Detektionssubstanz bzw. des Polymers 40 auftreten.
Die Konzentration von Wasser im Polymer 40 stellt sich über ein
Absorptions-/Desorptionsgleichgewicht ein. Der von der Vorrichtung
aufgenommene Messwert, der in 6 als
achte Kurve 141 dargestellt ist, ist daher abhängig vom
relativen Feuchtegehalt der Umgebungsluft. Dieser hängt vom absoluten
Feuchtegehalt und der Umgebungstemperatur ab, wie beispielsweise
in 1 dargestellt ist. Ändert man
nun die Temperatur des Sensors, d.h. die Temperatur der Detektionssubstanz,
bei einem gleich bleibenden absoluten Feuchtegehalt der Umgebungsluft,
so verschiebt sich das Absorptions-/Desorptionsgleichgewicht. Bei
dieser Temperaturerhöhung
wird sich beispielsweise der Feuchtegehalt im Polymer 40 verringern.
Dieser Vorgang ist in 1 schematisch
am Beispiel der Punkte 90, 91 dargestellt: Bei
einer Temperatur von 25°C
und einem absoluten Feuchtegehalt von 1,5 mol % am ersten Punkt 90 stellt
sich eine relative Feuchte von 40 % ein. Bei einer Erhöhung der
Temperatur auf 35°C
und einem gleichbleibenden absoluten Feuchtegehalt von 1,5 mol %
vermindert sich die relative Feuchte in der Detektionssubstanz 40 derart,
dass lediglich eine relative Feuchte von 20 % gemessen wird, was
dem zweiten Punkt 91 in 1 entspricht.
Durch die unterschiedlichen Abstände
der Iso-Konzentrationen, d.h. die unterschiedlichen Abstände der
ersten bis fünften
Kurve 94 bis 98, welche jeweils gleiche relative
Feuchte angeben, lässt
sich aus der Messabweichung zwischen entsprechend an anderen Orten
vorgesehenen ersten und zweiten Punkten 90, 91 auf die
Absolutkonzentration schließen.
Damit kann festgestellt werden, ob sich die Konzentration im Polymer
richtig einstellt, d.h. es kann ein Selbstcheck durchgeführt werden,
und es kann ein Steigungsfehler in der Kennlinie der Vorrichtung
bzw. des Feuchtesensors festgestellt werden.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die Zeit zwischen
dem ersten Zeitpunkt T1 und dem zweiten Zeitpunkt T2, wie in 6 dargestellt, möglichst
gering zu halten. Führt
man nämlich
das in 6 dargestellte
erfindungsgemäße Verfahren
mit einer zu großen
Zeitspanne zwischen dem ersten Zeitpunkt T1 und dem zweiten Zeitpunkt
T2 durch, so hat man das Problem, dass sich durch die Temperaturänderung 110 auch
die elektrischen Eigenschaften des Polymers bzw. der Detektionssubstanz 40 verändert. Zur
Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es daher sinnvoll, das elektrische Gleichgewicht bzw. das Temperaturgleichgewicht
und das Absorptions-/Desorptionsgleichgewicht zu entkoppeln. Hierzu
wird das sensitive Material, d.h. die Detektionssubstanz 40,
auf ein Substrat 20 mit geringer thermischer Zeitkonstante
aufgebracht. Dies ist erfindungsgemäß insbesondere dadurch realisiert,
dass auf dem Substrat 20 eine Membranschicht 34 vorgesehen
ist, welche in einem Teilbereich die Membran 30 bildet.
Auf der Membran ist die Elektrodenstruktur 50 und die Heizeinrichtung 60 strukturiert.
Weiterhin befindet sich im Membranbereich die Detektionssubstanz 40.
Thermisch ist jedoch die gesamte Anordnung aus der Detektionssubstanz 40,
Elektrodenstruktur 50 und der Heizeinrichtung 60 thermisch
gegenüber
dem Substrat entkoppelt. Hierdurch gelingt es, dass die Vorrichtung
als solche eine geringe thermische Zeitkonstante, von beispielsweise
unter 100 ms, aufweist. Da die Absorptionsprozesse bzw. die Diffusionsprozesse
des Stoffes 45 in die Detektionssubstanz 40 hinein
mit Zeitkonstanten im Bereich von 10 s ablaufen, können die
beiden Prozesse entkoppelt werden.
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Die Membranstruktur auf dem Substrat 20 ist erfindungsgemäß insbesondere
in Siliziumtechnologie hergestellt. Auf der Membran 30 befindet
sich eine Heizeinrichtung 60, die im Folgenden auch als Heizer 60 bezeichnet
wird. Der Heizer 60 dient als Heizeinrichtung 60 dazu,
die Temperatur um einen definierten Betrag zu erhöhen oder
zu senken. Weiterhin dient der Heizer 60 erfindungsgemäß insbesondere
auch als Temperatursensiereinrichtung. Hierdurch ist es mit einfachen
Mitteln möglich,
auch eine Messung der Temperatur, und zwar am Ort der Messung der
Feuchte, durchzuführen.
Der Einsatz der Heizeinrichtung 60 als Temperatursensiereinrichtung
ist beispielsweise dadurch möglich,
dass der elektrische Widerstand der Heizeinrichtung 60,
welcher von der Temperatur abhängt,
gemessen wird. Die Elektroden 50 im erfindungsgemäßen Membranbereich 30 dienen
dazu, die Auswertung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchzuführen. Die
Detektionssubstanz 40 wird nach der Strukturierung der Membran 30 und
dem Aufbringen sowohl der Elektroden 50, als auch der Heizeinrichtung 60 auf
die Membranstruktur aufgebracht. Dies wird erfindungsgemäß insbesondere
in einem Back-End-Prozess durchgeführt.