DE4442441C2 - Miniaturisierte Spulenanordnung hergestellt in Planartechnologie zur Detektion von ferromagnetischen Stoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Detektion von Stoffen mit von Null ver­ schiedener magnetischer Permeabilität, insbesondere ferromagnetischer Stoffe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann neben der Detektion von Stoffen mit von Null verschiedener magnetischer Permeabilität auch zur indirekten Messung von verschiedenen anderen Größen eingesetzt werden. Dazu muß die zu messende Größe eine Veränderung der magnetischen Permeabilität in der direk­ ten Umgebung der erfindungsgemäßen Anordnung verursachen.

Dies ist beispielsweise bei der Relativbewegung zwischen einer ferromagneti­ schen Struktur (z. B. einer Struktur bzw. einem Maßstab mit äquidistanten ferromagnetischen Markierungen) und der erfindungsgemäßen Anordnung der Fall. Auf diese Weise kann zum Beispiel eine Translation einer Zahnstange oder eine Rotation eines Zahnrades, die sich relativ zur erfindungsgemäßen An­ ordnung bewegen, erkannt werden. In Verbindung mit einem inkrementalen Verfahren können so Position und/oder Winkel bestimmt werden.

Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Materialuntersuchung. Mit einer oder mehre­ ren erfindungsgemäßen Anordnungen können Werkstücke abgetastet werden. Die entstehenden Signale sind ein Maß für die magnetischen Eigenschaften bzw. die lokale Variation der magnetischen Eigenschaften (z. B. bestimmter ferromagnetischer Bereiche in Edelstahl) und können so zur Beurteilung und Erkennung eines Werkstückes dienen. Für die Vorwärts- oder Rückwärtsbewe­ gungserkennung eines Körpers bewegt sich etwa eine am Körper angebrachte Struktur aus äquidistanten, magnetischen Markierungen an zwei erfindungs­ gemäßen Anordnungen, die um 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind, vorbei, wobei aus der Signallage der beiden Signale die Bewegungsrichtung der Struktur und damit die des Körpers bestimmt werden kann.

Aus der DE 40 18 149 A1 ist eine Einrichtung zur berührungslosen Ermittlung des Drehmomentes eines rotierenden, tordierten zylinderförmigen Körpers bekannt. Die Oberfläche des Körpers enthält dazu zwei beabstandete magnetfelderzeu­ gende Anordnungen. Diesen beiden Anordnungen sind jeweils ortsfeste Ma­ gnetfeldsensoren zugeordnet, wobei jeder dieser Magnetfeldsensoren als eine Spulenwicklung um einen ferromagnetischen Magnetkern in Dünnschichttech­ nik ausgebildet ist. Gemessen wird die Phasenverschiebung der in den beiden Magnetfeldsensoranordnungen induzierten Spannungsimpulse, die durch die magnetfelderzeugenden Anordnungen des rotierenden Körpers über eine Um­ magnetisierung der Magnetkerne in den Magnetfeldsensoranordnungen be­ wirkt werden. Nachteilig ist insbesondere, daß die Detektionseinrichtung aus zwei Teilen besteht, nämlich einer ortsfesten Magnetfeldsensoranordnung und einer auf dem zu messenden Körper anzubringenden magnetfelderzeugenden Anordnung. Des weiteren muß die Magnetfeldsensoranordnung dem zu mes­ senden Körper geometrisch angepaßt sein, um zur Detektion ausreichende Spannungsimpulse zu erhalten.

Aus der DE 36 42 770 A1 ist ein Induktivgeber bekannt, der aus einem einen oder mehrere Polschuhe aufweisenden Permanentmagnet sowie einer auf einen Kunststoffkörper gewickelten Detektionsspule besteht. Dabei wurde das Ziel angestrebt, den Induktivgeber fertigungstechnisch sehr einfach, jedoch mit wesentlicher Funktionsverbesserung und mit deutlich verbessertem Schutz gegenüber Störungen durch Umwelteinflüsse herzustellen. Nachteilig sind die zufolge des Permanentmagnetes und der gewickelten Spule vergleichsweise sehr großen geometrischen Abmessungen sowie die Notwendigkeit, die Form des Permanentmagnetes der Form der gewickelten Spule anzupassen (bzw. umgekehrt), um ausreichend hohe Induktionssignale zu erhalten.

In der DE 33 15 549 ist eine dreidimensionale, in Schichttechnik ausgebildete flache Spule mit einem Nickel-Eisen-Kern offenbart, wobei insgesamt fünf übereinanderliegende Schichten mit entsprechenden Durchkontaktierungen zwischen den elektrisch leitenden Schichten verwendet werden. Damit sollen größere Induktivitäten pro Flächeneinheit erzielbar sein und auch andere in­ duktive Bauelemente, wie z. B. Transformatoren, in einfacher Weise in größe­ rer Anzahl herstellbar sein. Ferner sind aus der JP 4-333204 (A) und der DE 42 05 957 A1 miniaturisierte Flachspulen, die in einer Metallisierungsebene ausgebildet sind, bekannt. In der DE 42 05 957 A1 sind zudem zwei solcher Flach­ spulen in Serie geschaltet. Derartige Flachspulen eignen sich gut für die Ver­ wendung bei Weg- oder Winkelsensoren.

Aus der DE 31 33 061 A1 ist ein Drehwinkelmeßfühler bekannt, der einen Perma­ nentmagnet als flußerzeugendes Bauelement und eine Spule mit Kern als flußdetektierendes Bauelement aufweist. Eine Flußführung mittels ferromagne­ tischer Materialien existiert nicht; Ausbreitungsmedium ist die Luft. Der vom Permanentmagneten ausgehende Magnetfluß wird in Abhängigkeit der Winkelstellung eines drehbar gelagerten ferromagnetischen Körpers geändert und ruft an den elektrischen Impulsen, die durch die Meßspule geschickt werden, eine Veränderung der Impulsbreite hervor. Durch diese spezielle Detektionsart gelang es, sowohl die Linearität zu verbessern als auch eine zuverlässige Drehwinkelermittlung mit hoher Genauigkeit zu erreichen. Zudem ist eine spezielle geometrische Form des Permanentmagneten nicht mehr erforderlich, sondern er kann eine übliche Konfiguration aufweisen. Nachteilig ist die nicht gezielte Führung des magnetischen Flusses, die in Verbindung mit der Verwendung eines Permanentmagneten eine Miniaturisierung des Drehwinkelmeßfühlers in den Sub-Millimeterbereich unmöglich macht. Darüberhinaus ist die Nichtsteuerbarkeit dem magnetischen Flusses eines Permanentmagneten von Nachteil, da sie den Einsatz hochempfindlicher elektrischer Meßverfahren nicht zuläßt, demzufolge einer Verkleinerung des Drehwinkelmeßfühlers sehr enge Grenzen gesetzt sind und optimale Signalqualitäten nicht erreicht werden können.

In der DE 42 38 861 A1 wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines axial beweglichen Körpers beschrieben. Eine oder mehrere Spulen dienen zu­ gleich als flußerzeugende als auch als flußdetektierende Bauelemente. Der zu detektierende Körper hat eine ferromagnetische Schicht, die den magnetischen Fluß in der Meßspule ändert. Dadurch verändert sich auch die Induktivität dieser Spule, was als Impedanzänderung mit einer (Halb)brückenschaltung ausgewer­ tet wird. Die Ziele der Schrift sind eine höhere Ansprechempfindlichkeit und eine weitestgehende Unabhängigkeit von Umgebungsbedingungen. Dazu wird allein die ferromagnetische Schicht, die auf den zu detektierenden Körper aufgebracht ist, optimiert und zwar in der Hinsicht, daß insbesondere durch Erhöhung des elektrischen Widerstandes der ferromagnetischen Schicht dem Problem auftretender Wirbelströme entgegengewirkt wird. Die oben schon angesproche­ nen Nachteile zufolge einer nicht vorhandenen ferromagnetischen flußleitenden Struktur sind auch hier gültig. Da eine mechanische Fertigung von Drahtspulen unter wenigen Millimetern nicht möglich ist, ist eine Verbesserung der Positions­ bestimmung durch Verkleinerung der Vorrichtung ausgeschlossen.

Die DE 41 27 209 A1 offenbart einen Geber zur induktiven Erzeugung eines Meßsi­ gnals, das die relative Position zweier Körper zueinander angibt. Der Geber be­ steht aus einer flußerzeugenden Spule, die von Wechselstrom durchflossen ist, weiterhin aus einer ferromagnetischen flußführenden Struktur, die ringförmig ausgebildet ist, und einer Meßanordnung aus Spulen, die zumindest von einem Teil des erzeugten Magnetflusses durchsetzt sind und Spannungen abgeben, die von der relativen Position zweier Körper zueinander abhängen. Im bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel dieser Schrift sind dabei die flußerzeugende Spule und die flußleitende Struktur mit dem ersten Körper und die Meßspulenanordnung mit dem zweiten Körper verbunden, wobei die Meßspulenanordnung entweder als gedruckte Schaltung oder aus Draht(flach)spulen in der Größenordnung von mindestens einigen Millimetern realisiert ist. Die (Induktions)Spannungssignale kommen dadurch zustande, daß sich abhängig von der relativen Position der beiden Körper die Fläche ändert, die der erzeugte Magnetfluß auf der Meßspu­ lenanordnung durchsetzt. Die Änderung des magnetischen Flusses wird durch eine Flächenänderung verursacht und nicht durch Änderung der magnetischen Permeabilität, z. B. des zweiten Körpers. Das Ziel der DE 41 27 209 A1 besteht darin, das resultierende Meßsignal durch geeignete Kombination der gemesse­ nen Induktionsspannungen und durch spezielle geometrisch angeordnete Gruppen von Flächenelementen frei von additiven und multiplikativen Störungen zu bekommen und die Linearität der Kennlinie zu verbessern, insbesondere im Nulldurchgang (beide Körper am "gleichen Ort") und in den Endlagen (beide Körper maximal voneinander entfernt). Nachteilig sind sowohl die hybride Aufbauweise der gesamten Anordnung als auch die geometrischen Dimensio­ nen (mindestens einige Millimeter) der die Ortsauflösung bestimmenden Elemente.

Aus der DE 30 31 997 A1 ist ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Drehmomenten bekannt, wobei auf der Prüflingsoberfläche ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und die durch das auftretende Drehmoment hervorgerufe­ ne Permeabilitätsänderung der Prüflingsoberfläche mittels eines sondenförmi­ gen, an die Prüflingsoberfläche heranbringbaren Magnetjochs mit- vier Polstücken, deren Polflächen der Prüflingsoberfläche gegenüberstehen, erfaßt wird. Das Magnetjoch ist als weichmagnetischer Schalenkern mit einem Innenkern und vier Polstücken ausgebildet. Die Querschnittsfläche durch den Innenkern und je zwei gegenüberliegenden Polstücken ist M-förmig (siehe Fig. 1 in DE 30 31 997 A1). Der Innenkern ist mit einer Erregerwicklung, die vier Polstücke mit zu einer magnetischen Meßbrücke verschalteten Detektionsdrahtwicklungen versehen. Gemessen wird letztlich eine Symmetrieverschiebung der Induktions­ spannungen in der magnetischen Meßbrücke. Auch Ferritkerne in sogenannter X-Form (zwei um 90° zueinander angeordnete U-Kerne) können verwendet wer­ den, wobei aufgrund des Fehlens des Innenkerns die Detektionsdrahtspulen auf den vier Polstücken zugleich als Erregerspulen benutzt werden. Nachteilig ist die sehr beschränkte Auswahl an verfügbaren Kernformen; die eigene Herstellung nicht kommerziell erhältlicher Kerne ist zu aufwendig. Zudem können die vorgestellten Meßköpfe nicht sehr klein gemacht werden; in der DE 30 31 997 sind Meßkopfdurchmesser von ca. 20 mm angegeben.

Aus dem Beitrag "An Integrated Sensor Head in Silicon, for Contactless Detection of Torque and Force" in Eurosensors VII, Budapest vom 26.9.93- 29.9.93, Seite 351 von P. Rombach ist ebenfalls ein Meßprinzip zur kontaktlosen Messung von Kräften oder Drehmomenten bekannt. Die prinzipielle Meßanord­ nung besteht aus einem weichmagnetischen U-Kern, an dessen einem Schenkel eine Erregerspule und an dessen anderem Schenkel ein Magnetflußdetektor an­ gebracht sind. In dem Raumbereich in unmittelbarer Nähe zu den beiden Schenkelenden befindet sich ein Metallband mit magnetostriktiven Eigenschaf­ ten. Durch Kraft- oder Drehmomenteinwirkung auf das Metallband wird durch Magnetostriktion dessen magnetische Permeabilität geändert. Diese Permeabili­ tätsänderung wird durch einen Magnetotransistor in einer Stromänderung erfaßt. Die in dem Beitrag vorgeschlagene technische Realisierung (siehe Fig. 2 des Beitrags) ist eine Kombination von Dünnschichttechnik und weiteren mikrome­ chanischen Verfahrensschritten zur Herstellung des magnetischen U-Kerns und der Erregerspule sowie eines CMOS-Prozesses für den Magnetotransistor. Die geometrische Form des U-Kern wird realisiert durch die Ätzung von zwei benachbarten V-Gräben ins Siliziumsubstrat. Die beiden einander nächstliegen­ den Flanken der beiden V-Gräben bilden die Schenkel des magnetischen Kerns, der jedoch zufolge der endlichen Steilheit der V-Flanken trapezförmige Gestalt hat. Das Kernmaterial besteht aus Nickel und Eisen und wird elektrolytisch abgeschieden. Von großem Nachteil ist, daß diesem Herstellungstechnologie nur für sehr einfache Formen magnetischer Kerne tauglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Detektion von Stoffen mit von Null verschiedener magnetischer Permeabilität gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 derart auszugestalten, daß die Anordnung eine Ortsauflösung im Submillimeter-Bereich bei hoher Meßempfindlichkeit bzw. Meßgenauigkeit er­ reicht und zudem einfach und kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Detektion von Stoffen mit von Null verschiedener magnetischer Permeabilität besteht aus den folgenden drei Elementarbausteinen: flußerzeugenden Spulen zur Erzeugung eines magneti­ schen Flusses, einer flußleitenden Struktur zur Führung des erzeugten magnetischen Flusses an die Meßstellen und flußdetektierenden Bauelementen an den Meßstellen zur Detektion mindestens eines Teils des erzeugten magnetischen Flusses. Die gesamte Anordnung und damit all deren Bestand­ teile sind auf einem einzigen Substrat durch Planartechnologie hergestellt.

In einer oder mehreren flußerzeugenden Spulen wird ein magnetischer Fluß (bzw. ein magnetisches Feld) durch einen elektrischen Strom erzeugt. Der er­ zeugte magnetische Fluß wird durch eine flußleitende Struktur an die Meßstellen der Anordnung, die von den flußerzeugenden Spulen räumlich entfernt sein können, geführt. An diesen Meßstellen sind eine oder mehrere flußdetektierende Bauelemente positioniert, deren geeignet kombinierte Signale ein Maß für die magnetische Permeabilität in der Umgebung der erfindungsgemäßen Anord­ nung sind.

Es ist günstig, wenn die Werte der magnetischen Flußdichte als Funktion des Ortes in der unmittelbaren Umgebung einer Meßstelle stark von der magneti­ schen Permeabilität in der Umgebung der Anordnung abhängen. Die geeignete Kombination der Signale kann dabei vorteilhafterweise auf Differenz- und/oder Additionsprinzipien beruhen, zu deren Realisierung eine geeignete Ausbildung der flußdetektierenden Bauelemente (z. B. Wahl des Windungssinnes bei planaren Induktionsspulen), eine geeignete Zusammenschaltung mehrerer fluß­ detektierender Bauelemente und/oder eine entsprechende Signalverarbeitung beitragen können.

Durch die gesamte erfindungsgemäße Anordnung aus flußerzeugenden Spulen, einer flußleitenden Struktur und flußdetektierenden Bauelementen ist zusammen mit dem vom magnetischen Fluß durchsetzten umgebenden Medium ein geschlossener magnetischer Kreis aufgebaut, in dem die Kirchhoffschen Sätze analog dem elektrischen Fall gültig sind. Durch Annäherung eines externen Ob­ jektes mit von Null verschiedener magnetischer Permeabilität werden in der er­ findungsgemäßen Anordnung die magnetischen Widerstände verändert. Diese Veränderungen können auf unterschiedlichste Art erfaßt werden. An einem Ort vorzugsweise durch ein oder mehrere flußdetektierende Bauelemente oder durch die Detektion einer Symmetrieverschiebung im magnetischen Kreis. Letzteres erfordert insbesondere eine geeignete Ausbildung der flußleitenden Struktur sowie eine auf diese Struktur angepaßte Auswahl und Festlegung der Meßstellen für die flußdetektierenden Bauelemente. Dabei kann es durch das in der erfindungsgemäßen Anordnung realisierte Meßprinzip vorkommen, daß zu­ mindest ein flußdetektierendes Bauelement von dem Ort oder dem Bereich der Permeabilitätsänderung weiter entfernt ist. Es ist zudem möglich, daß zumindest eine der flußerzeugenden Spulen auch als flußdetektierendes Element verwendet ist. Die Positionierung eines flußdetektierenden Bauelementes geschieht vorzugsweise so, daß entweder der magnetische Fluß in der flußleitenden Struktur detektiert wird oder daß der magnetische (Streu)Fluß, wel­ cher an oder nahe einer Meßstelle aus der flußleitenden Struktur in das umgebende Medium austritt bzw. von dort eintritt, erfaßt wird.

Als flußdetektierende Bauelemente werden dabei vorteilhaft Induktionsspulen oder in Planartechnologie herstellbare Magnetfeldsensoren, beispielsweise ma­ gnetoresistive Sensoren, Hallelemente oder Fluxgate-Sensoren, eingesetzt. Bei einer vorteilhaften Anordnung ist eine flußerzeugende Spule von einem elektrischen Strom mit einer zeitlich konstanten und einer zeitlich veränderbaren Komponente von jeweils beliebiger Amplitude durchflossen (z. B. auch reiner Gleichstrom oder reiner Wechselstrom) und mit einem ferromagnetischen Kern versehen. Dieser Kern ist aus hochpermeablem Material und dient deshalb ne­ ben der Flußleitung auch als Flußverstärker. Der Spulenkern ist vorzugsweise ein Teil der flußleitenden Struktur, deren Material folgende vorteilhafte Eigenschaften aufweist. Eine hohe Permeabilität erlaubt es, mit vergleichsweise geringem Spu­ lenstrom eine große magnetische Flußdichte zu erzeugen. Dies ist vor allem bei sehr kleinen erfindungsgemäßen Anordnungen zur Erzielung detektierbarer Signale wichtig, da die Stromdichte in den Windungen der flußerzeugenden Spulen einen sehr kleinen Wert hat. Des weiteren ist eine hohe Sättigungsfluß­ dichte des Materials zur Erhöhung der Signale geeignet. Geringe Leistungsver­ luste werden durch die Verwendung eines weichmagnetischen Materials erreicht, das eine schmale Hysterese aufweist. Materialien, die diese Eigenschaf­ ten haben, sind vorzugsweise bestimmte Eisen-Nickel-Legierungen, wobei Bei­ mischungen von Chrom, Mangan, Molybdän und anderen chemischen Elementen weitere Verbesserungen bringen. Die geometrische Ausbildung der flußleitenden Struktur erfolgt vorzugsweise so, daß die flußleitende Struktur aus einer oder mehreren U-förmigen, ferromagnetischen Grundstrukturen aufgebaut ist bzw. umgekehrt in solche zerlegt werden könnte, wie dies etwa bei einer Kamm-förmigen flußleitenden Struktur der Fall ist.

Zur teilweisen oder gänzlichen Kompensation parasitärer Einflüsse können ne­ ben passiven Abschirmeinrichtungen zusätzlich weitere flußdetektierende Bauelemente so angeordnet werden, daß sie den magnetischen Fluß einer flu­ ßerzeugenden Spule unabhängig von der magnetischen Permeabilität in der Umgebung der Anordnung erfassen und diese Signale zur Kompensation von Störeinflüssen auf eine flußerzeugende Spule und/oder eine flußleitende Struktur, beispielsweise temperaturabhängige Veränderungen der Eigenschaf­ ten von ferromagnetischen flußleitenden Strukturen oder externe Magnetfelder, benutzen. Die Unabhängigkeit solcher Referenzmessungen von der zu detektierenden magnetischen Permeabilität(sänderung) in der Umgebung der Anordnung muß nicht zu jeder Zeit gegeben sein; oftmals genügt es, diese Un­ abhängigkeit durch geeignet ausgewählte Modulations- bzw. Meßtechniken zu bestimmten Zeitpunkten oder in bestimmten Zeitintervallen sicherzustellen. Eine Detektionstechnik auf der Basis von Differenzprinzipien ist generell störungsun­ empfindlicher. Darüber hinaus werden je nach Anwendungsfall und Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung Kompensationsmaßnahmen auch zur Erreichung größerer Linearitätsbereiche eingesetzt.

Außer einer einzigen erfindungsgemäßen Anordnung können auf einem Substrat auch mehrere (voneinander unabhängige) erfindungsgemäße Anordnungen in bestimmten Abständen und in bestimmten Winkellagen zueinander hergestellt werden. Die genaue Einstellbarkeit dieser Abstände und Winkel ermöglicht etwa eine Aneinanderreihung erfindungsgemäßer Anordnungen in Zeilen- oder Ma­ trixform (generell beliebige Muster) mit guter Uniformität. Vorteilhaft ist dies für eine genaue und schnelle magnetische Muster- oder Bilderkennung.

Ein wesentliches Charakteristikum der Erfindung ist die Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung mit den Methoden der Planartechnologie auf einem planaren Substrat. Denn durch die gute Maßhaltigkeit der Mikrolithografie (absolute Strukturgenauigkeiten <1 µm, relative <1%), mit der die einzelnen Elementarbausteine strukturiert werden, ist eine Miniaturisierung der erfindungs­ gemäßen Anordnung in Größenbereiche kleiner als 1 mm realisierbar, wodurch die Ortsauflösung der Messung erheblich gesteigert wird. Aus der Miniaturisie­ rung resultieren auch die Vorteile der geringeren Temperaturabhängigkeit der Meßsignale und der kleineren Störungen durch mechanische Erschütterungen bzw. Schwingungen. Da Magnetfelder eine Ortsabhängigkeit von r^-n (n = 1 . . . 2) aufweisen und so die geometrischen Abmessungen und deren Genauigkeiten sehr starken Einfluß auf die Meßsignale haben, ist es mit der hohen Strukturge­ nauigkeit, die durch den ausschließlichen Einsatz der Planartechnologie erzielt wird, gelungen, die geometriebedingten Abweichungen der Meßsignale so klein zu halten, daß insbesondere bei der Verwendung von Differenzdetektionsschal­ tungen Abgleichkosten vermieden wurden.

Ein weiterer Vorteil, der durch die Miniaturisierung und den Einsatz der (CMOS-kompatiblen) Planartechnologie erzieit wird, liegt darin, daß elektronische Schaltungen, z. B. zur Aufbereitung und Auswertung der Meßsignale, neben den flußerzeugenden, flußführenden und flußdetektierenden Bauelementen auf dem Substrat mitintegrierbar sind. Neben einer kostengünstigen und vereinfachten Herstellung hat dies den zusätzlichen Vorteil, daß der Abstand zwischen den flußdetektierenden Bauelementen und der Auswerteelektronik sehr klein gehalten werden kann, somit externe Störungen weniger ins Gewicht fallen und deshalb entweder die Ortsauflösung weiter erhöht werden kann oder noch klei­ nere Signale detektiert werden können. Letzteres ist auch von Vorteil in dem Fall, bei dem zufolge einer hohen Ortsauflösung die flußdetektierenden Bauelemente nur mit wenigen Spulenwindungen versehen sind und deshalb kleinere Meßsignale detektiert werden müssen. Der Einsatz von Spulen zur Erzeugung eines magnetischen Flusses hat den großen Vorteil, daß zufolge der Steuerbar­ keit des erzeugten magnetischen Flusses über den Spulenstrom, hochempfind­ liche Modulationstechniken zur Detektion auch sehr schwacher und/oder verrauschter Meßsignale verwendbar sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Skizze eines Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 Schnitt durch eine flußerzeugende Spule (parallel zur Längsachse),

Fig. 3 Schnitt durch eine flußerzeugende Spule (quer zur Längsachse),

Fig. 4 Schnitt durch eine planare Spule als flußdetektierendes Bauelement,

Fig. 5 Funktionsprinzip ohne ferromagnetische Umgebung,

Fig. 6 Funktionsprinzip mit ferromagnetischer Umgebung,

Fig. 7 Funktionsprinzip mit zwei planaren Spulen ohne ferromagnetische Umgebung,

Fig. 8 Funktionsprinzip mit zwei planaren Spulen und ferromagnetischer Um­ gebung.

Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt. Die flußerzeugende Spule (1) besteht aus einer dreidimensionalen Spule mit ferromagnetischem (Spulen)Kern (2), die beide in Planartechnologie hergestellt sind. Der ferroma­ gnetische Kern (2) ist zugleich ein Teil der flußleitenden Struktur (3), die in U-Form ausgebildet ist, wobei die flußerzeugende Spule (1) am Mittelschenkel der U-förmigen flußleitenden Struktur angeordnet ist. An beiden Enden der flußleitenden Struktur ist jeweils ein flußdetektierendes Bauelement (4), (5) angebracht. Die flußerzeugende Spule (1) mit ferromagnetischem Kern (2), die flußleitende Struktur (3) und die flußdetektierenden Bauelemente (4), (5) sind alle auf einem einzigen Substrat (6) gefertigt.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen einen Längs- bzw. Querschnitt durch die flußleitende Spule mit der flußleitenden Struktur. Die Herstellung einer flußleitenden Spule ge­ schieht durch die Strukturierung einer ersten Metallisierungsebene (7) für den Teil der Spulenwindung, der unter der flußleitenden Struktur (genauer dem ferromagnetischen Kern (2)) angeordnet ist, und durch die Strukturierung einer zweiten Metallisierungsebene (8) für den Teil der Spulenwindung, der über der flußleitenden Struktur angeordnet ist. Die erste und die zweite Metallisie­ rungsebene und der flußleitende und flußverstärkende, ferromagnetische Kern sind jeweils durch eine Isolationsschicht (9) elektrisch voneinander isoliert. Nur im Bereich der Kontaktlöcher (10) ist ein elektrischer Kontakt zwischen der ersten (7) und der zweiten (8) Metallisierungsebene vorhanden, um die Spulenwindungen um den ferromagnetischen Kern (2) herum zu schließen. Die maximale Stromdichte in den Windungen der flußerzeugenden Spule beträgt ca. 1 mA/(µm·µm).

Die beiden Metallisierungsebenen bestehen aus einer ca. 1 µm dicken Aluminiumschicht; die gewählten 50 Spulenwindungen haben eine Breite von ca. 3,2 µm und einen Abstand von ca. 2 µm. Die Isolationsschicht (9) besteht aus einer etwa 1,2 µm dicken Siliziumdioxidschicht und die flußleitende Struktur (3) ist in diesem Ausführungsbeispiel eine ca. 0,5 µm dicke und etwa 100 µm breite Permalloy-Schicht, die aus Nickel (81%) und Eisen (19%) zusammengesetzt ist. Diese Schicht kann durch Diffusionsbarriereschichten aus Tantal, das auch als Haftvermittler dient, eingekapselt sein. Für Eisen-Nickel-Schichten sind minimale Strukturbreiten von ca. 5 µm realisierbar, minimale Strukturbreiten für andere Schichten sind 0,5 µm; im Vergleich dazu liegt die Justagegenauigkeit von Struktur zu Struktur bei ca. 1 µm, die bei einer maximalen Bildfläche von ca. 15 mm 15 mm besser als 0,001 ist.

Die flußdetektierenden Bauelemente (4), (5) bestehen, wie in Fig. 1 erkennbar ist, aus planaren Spulen, die durch die Strukturierung der zweiten Metallisie­ rungsebene (8) hergestellt sind. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch die Längsachse des U-Schenkels im Bereich einer der beiden flußdetektierenden planaren Spulen.

Die flußerzeugende Spule (1) wird im Ausführungsbeispiel von einem Wechsel­ strom durchflossen. An beiden Enden der U-förmigen, flußleitenden Struktur tritt der erzeugte magnetische Fluß (11) aus bzw. wieder ein, da magnetische Feldlinien immer geschlossen sind. In Fig. 5 ist der Fall dargestellt, daß in der Umgebung der Anordnung kein ferromagnetisches Material vorhanden ist. Zu­ mindest ein Teil des magnetischen Flusses durchdringt die planare Spule (4 bzw. 5) und induziert eine Spannung in der Spule. Kommt nun ein ferromagneti­ scher Körper (12) in die Nähe der Anordnung (Fig. 6) so wird der magnetische Fluß, der die planare Spule durchdringt, verändert und dementsprechend entsteht eine geänderte Induktionsspannung, die als Meßsignal dient.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel werden durch geeignete Beschaltung zweier planarer Spulen als flußdetektierende Bauelemente die Vorteile von Diffe­ renzprinzipien ausgenutzt. In Fig. 7 und Fig. 8 sind zwei planare Spulen (4a, 4b bzw. 5a, 5b) übereinanderliegend in der ersten und der zweiten Metallisie­ rungsebene angeordnet. Diese beiden planaren Spulen haben den gleichen Windungssinn und sind in Reihe geschaltet, so daß im Fall der Abwesenheit eines ferromagnetischen Körpers und einer komplett symmetrisch ausgeführten Anordnung der planaren Spulen der gleiche magnetische Fluß (11a, 11b) mit entgegengesetztem Vorzeichen die beiden planaren, übereinanderliegenden Spulen durchdringt (Fig. 7). Durch die Reihenschaltung heben sich die beiden induzierten Spannungen auf, so daß das resultierende Signal beider Spulen den Wert Null hat, folglich also "kein Signal meßbar ist". Ein externer ferromagneti­ scher Körper (12) in der Umgebung der beiden Spulen hebt die Symmetrie des magnetischen Flusses (11) am Ort der beiden planaren Spulen auf (Fig. 8) und erzeugt auf diese Weise ein von Null verschiedenes (Induktions)Signal in den beiden in Reihe geschalteten Spulen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird im Gleichstrombetrieb eine flußerzeugende Spule von einem zeitlich konstanten Strom durchflossen. Als Meßsignale dienen die in den Spulen induzierten Spannungen, die durch eine zeitliche Änderung der magnetischen Permeabilität in der Umgebung verursacht sind.

Claims (22)

1. Miniaturisierte Spulenanordnung zur Detektion der magnetischen Permeabilität, insbesondere der ferromagnetischer Stoffe, wobei die miniaturisierte Spulenanordnung aus mindestens einer flußerzeugenden Spule zur Erzeugung eines magnetischen Flusses und einer flußleitenden Struktur zur Führung des erzeugten magnetischen Flusses an mindestens eine Meßstelle und mindestens einem flußdetektierenden Bauelement zur Messung mindestens eines Teils des erzeugten magnetischen Flusses, der an einer Meßstelle wenigstens ein flußdetek­ tierendes Bauelement durchsetzt, besteht und ferner wenigstens ein flußdetektierendes Bauelement ein Signal bereitstellt, das von der ma­ gnetischen Permeabilität und deren lokalen Verteilung in der Umgebung der miniaturisierten Spulenanordnung abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die flußerzeugenden Spulen (1), die flußleitende Struktur (3) sowie die flußdetektierenden Bauelemente (4, 5) der miniaturisierten Spulenanordnung in einer oder mehreren Schichten durch zwei­ und/oder dreidimensionale Strukturen, vorzugsweise durch Planar­ technologie, realisiert sind und daß diese Schichten auf einem einzigen Substrat (6) hergestellt sind.

2. Miniaturisierte Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den drei Elementarbausteinen, nämlich den flußerzeugenden Spulen (1), der flußleitenden Struktur (3) und den flußdetektierenden Bauelementen (4, 5), nur ein Elementarbaustein oder aber zwei oder auch alle drei Elementarbausteine zumindest eine geometrische Aus­ dehnung längs einer beliebigen Raumrichtung haben, die im Submillimeter-Bereich liegt.

3. Miniaturisierte Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den flußdetektierenden Bauelementen (4, 5) bereitgestellten Signale bei geeigneter Kombination und Signalverarbeitung ein resultie­ rendes Signal liefern, das ein Maß für die magnetische Permeabilität in der Umgebung der miniaturisierten Spulenanordnung ist.

4. Miniaturisierte Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flußleitende Struktur (3) so ausgebildet ist, daß an oder nahe bei einer oder mehreren Meßstellen der magnetische Fluß aus der flußlei­ tenden Struktur (3) in das um gebende Medium aus- bzw. eintritt.

5. Miniaturisierte Spulenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte flußleitende Struktur (3) aus einer oder mehreren U-för­ migen, flußleitenden Elementarstrukturen aufgebaut ist.

6. Miniaturisierte Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die flußleitende Struktur (3) zumindest ein ferromagnetisches Material, vorzugsweise eine Eisen-Nickel-Legierung, enthält.

7. Miniaturisierte Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine flußerzeugende Spule (1) aus einer dreidimensionalen Spule mit einem von ihr umschlossenen Spulenkern (2) besteht.

8. Miniaturisierte Spulenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (2) als Schicht ausgebildet ist, die zumindest ein fer­ romagnetisches Material, vorzugsweise eine Eisen-Nickel-Legierung, enthält.

9. Miniaturisierte Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (2) ein Teil der flußleitenden Struktur (3) ist.

10. Miniaturisierte Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine flußerzeugende dreidimensionale Spule (1) durch Strukturie­ rungen auf einer ersten (7) und auf einer zweiten (8) Metallisie­ rungsebene und durch elektrisch leitende Kontaktverbindungen (10) zwi­ schen diesen beiden Metallisierungsebenen gebildet ist.

11. Miniaturisierte Spulenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Spulenkern (2) zwischen der ersten (7) und der zweiten (8) Metallisierungsebene befindet und daß dieser Spulenkern (2) sowohl von der ersten (7) als auch von der zweiten (8) Metallisierungsebene durch Isolationsschichten (9) elektrisch isoliert ist.

12. Miniaturisierte Spulenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolationsschicht (9) aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumdioxid besteht und daß die beiden Metallisierungsebenen (7, 8) aus Aluminium hergestellt sind.

13. Miniaturisierte Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß einer flußerzeugenden Spule (1) ein Strom einprägbar ist, der eine zeitlich konstante und eine zeitlich veränderbare Komponente mit jeweils beliebiger Amplitude besitzt.

14. Miniaturisierte Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die flußdetektierenden Bauelemente (4, 5) als Induktionsspulen, ma­ gnetoresistive Sensoren, Hallelemente oder Fluxgate-Sensoren aus­ gebildet sind.

15. Miniaturisierte Spulenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktionsspule (4) durch Strukturierungen auf nur einer Metallisierungsebene (7) als planare Induktionsspule ausgebildet ist.

16. Miniaturisierte Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktionsspule (4) einen Kern enthält, der aus wenigstens einem ferromagnetischen Material besteht.

17. Miniaturisierte Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Meßstelle als flußdetektierende Bauelemente (4a, 4b) zwei planare Induktionsspulen mit dem gleichen Windungssinn in Reihe ge­ schaltet und symmetrisch ausgebildet sind, so daß bei magnetischer Permeabilität Null in der Umgebung der miniaturisierten Spulenanordnung oder/und bei symmetrischer Verteilung der Permeabilität in der Umgebung der miniaturisierten Spulenanordnung das resultierende Signal beider Induktionsspulen den Wert Null hat.

18. Miniaturisierte Spulenanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden planaren Induktionsspulen (4a, 4b) räumlich übereinan­ derliegend in der ersten (7) und der zweiten (8) Metallisierungsebene angeordnet sind.

19. Miniaturisierte Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung oder Kompensation des Einflusses von Tempera­ turänderungen oder externen Magnetfeldern oder anderen Störungen spezielle räumliche Anordnungen der flußdetektierenden Bauelemente (4, 5) und/oder eine geeignete Signalverarbeitung und/oder entspre­ chende Abschirmvorrichtungen vorgesehen sind.

20. Miniaturisierte Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere weitere flußdetektierende Bauelemente so ange­ ordnet sind, daß durch sie der magnetische Fluß wenigstens einer fluß­ erzeugenden Spule (1) und/oder der magnetische Fluß in der flußleiten­ den Struktur (3) unabhängig von der magnetischen Permeabilität in der Umgebung der miniaturisierten Spulenanordnung erfaßbar und zur Kompensation von Störeinflüssen einsetzbar ist.

21. Einrichtung bestehend aus mehreren miniaturisierten Spulenanordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere miniaturisierte Spulenanordnungen in vorgebbaren Abständen und vorgebbaren gegenseitigen Winkel lagen auf einem einzigen Substrat (6) gefertigt sind.

22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere miniaturisierte Spulenanordnungen in Zeilen- oder Matrixform aneinandergereiht sind.