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DE3346643A1 - Sensor fuer magnetisierbare materialien - Google Patents

Sensor fuer magnetisierbare materialien

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Publication number
DE3346643A1
DE3346643A1 DE19833346643 DE3346643A DE3346643A1 DE 3346643 A1 DE3346643 A1 DE 3346643A1 DE 19833346643 DE19833346643 DE 19833346643 DE 3346643 A DE3346643 A DE 3346643A DE 3346643 A1 DE3346643 A1 DE 3346643A1
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DE
Germany
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inductive component
sensor
amorphous metal
magnetic circuit
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DE19833346643
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Hans Dr.rer.nat. 7141 Schwieberdingen Volz
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Alcatel Lucent Deutschland AG
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Standard Elektrik Lorenz AG
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Publication date
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Description

H. VoLz - 5
Sensor für magnetisierbare MateriaLien
Die Erfindung betrifft einen Sensor für magnetisierbare MateriaLien nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und Anordnungen, in denen ein derartiger Sensor vorteiLhaft eingesetzt wird.
Voraussetzung für die RegeLung von BetriebsabLaufen ist die Erfassung der uesentLiehen Betriebsparameter. Hierzu gehören u.a. auch Lage, DrehwinkeL und DrehzahL. Diese Parameter werden häufig auf optischem Wege bestimmt. Optische Verfahren können jedoch nur angewendet werden, wo jegLicher Schmutz ferngehaLten wird. Die genannten Parameter können auch durch Magnete bestimmt werden, deren Position mit Magnet fe Ldsensoren ermitteLt wird. Eine sehr genaue Lagebestimmung ist dabei jedoch recht aufwendig. Ein besonderer NachteiL dieser Verfahren Liegt darin, daß diejenigen TeiLe, deren Position erkannt werden soLL, durch Dauermagnete markiert sein müssen. SoLche Dauermagnete erfordern bei der HersteLLung separate Arbeitsgänge.
Der Erfindung Liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor anzugeben, mit dem magnetisierbare MateriaLien sehr positionsgenau bestimmt werden können.
ZT/P2-Bs/6n
18.10.1983 - 5 -
BAD ORIGINAL
H.VoLz - 5
Die Aufgabe wird gelöst durch die Lehre des Hauptanspruchs. Der Sensor besteht aus einem induktiven Bauelement und einer Auswerteschaltung, mit der Änderungen der Induktivität des induktiven Bauelementes feststellbar sind. Das induktive Bauelement selbst ist aus dünnen Schichten auf einem Substrat aufgebaut, wobei eine dieser Schichten aus magnetisierbarem Material besteht und einen magnetischen Kreis mit einem Spalt bildet. Durch weitere, geeignet angebrachte dünne Schichten wird eine den magnetischen Kreis umschließende und von diesem isolierte Spule gebildet. Die Induktivität dieses induktiven Bauelementes ändert sich, wenn maqnetisierbares Material in die Nähe des Spalts gebracht wird.
Der als Spulenkern wirkende magnetische Kreis kann auch von einer zweiten, gleichartigen Spule umschlossen sein, wobei dann mit der Auswerteschaltung Änderungen der Gegeninduktivität bestimmt werden. Die Auswerteschaltung kann, mindestens teilweise, auf demselben Substrat wie das induktive Bauelement aufgebracht sein. Das magnetisierbare Material des magnetischen Kreises ist vorzugsweise ein ferromagnetisches amorphes Metall. Besonders geeignete amorphe Metalle sind den Ansprüchen 5 bis 10 zu entnehmen. Die Spaltbreite in einem magnetischen Kreis darf nicht zu klein sein, wenn magnetisierbare Materialien in der Umgebung auf das Verhalten des magnetischen Kreises Einfluß haben sollen.
Da bei einer erfindungsgemäßen Anordnung der magnetische Kreis extrem dünn ist, ist der Sensor auch bei Spaltbreiten, die weniger als das zehnfache der Schichtdicke des magnetischen Kreises betragen, immer noch sehr empfindlich. Dadurch kann eine sehr gute Ortsauf Iösung erreicht werden. Die Spaltbreite sollte aber nicht geringer sein als die Schichtdicke. Vorteilhafte Anwendungen eines erfindungsgemäßen Sensors sind den Ansprüchen 12 bis 14 zu entnehmen.
H. Vo L δ - 'j
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnung weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt ein induktives Bauelement für einen erfindungsgemäßen Sensor in der Aufsicht und im Schnitt.
Fig. 2 zeigt zwei Schnitte und ein Einzelteil eines Durchflußmessers mit einem erfindungsgemäßen Sensor.
Ein erfindungsgemäßer Sensor besteht aus einem in-duktiven Bauelement 1 und einer Auswerteschaltung 2. Ein solches induktives Bauelement 1 wird nun anhand der Fig. 1 näher beschrieben. Fig. 1a zeigt den Schnitt durch ein induktives Bauelement 1, Fig. 1b zeigt die Aufsicht; die Schnittlinie A - A in Fig. 1b zeigt die Schnittebene des in Fig.1a gezeigten Schnitts. Die Darstellung ist nicht maßstäblich. Grundlage des Bauelements 1 ist ein Substrat 10 aus Glas. In Fraqe käme aber auch ein Substrat aus Quarz, Halbleiter oder Keramik. Auf das Substrat 10 ist ein magnetischer Kreis 11 in Form eines rechteckigen Rings aufgebracht. An einer Breitseite des Rechtecks weist der magnetische Kreis 11 einen Spalt 12 auf. Auf der dem Spalt gegenüberliegenden Seite des Rechtecks sind schmale Streifen eines elektrisch leitfähigen Materials so über und unter dem magnetischen Kreis 11 angeordnet, daß sie insgesamt eine den magnetischen Kreis 11 umgebende Spule 13 bilden. Im Bereich der Spule ist der magnetische Kreis 11 nach oben und unten durch je eine isolierende Zwischenschicht 14 und 15 gegenüber der Spule 13 isoliert.
. 7 . 33466A3
H.VoLz - 5
Der in Fig. 1a gezeigte Schnitt zeigt deutLich die ReihenfoLge, in der die einzelnen Schichten aufgebracht sind, die das induktive Bauelement 1 bilden. Zuerst werden diejenigen TeiLe der Spule 13 durch eine Maske aufgestäubt (gesputtert), die später unterhalb des magnetischen Kreises 11 verlaufen sollen, es folgt die erste isolierende Zwischenschicht 14, darauf der magnetische Kreis 11, wiederum gefolgt durch die zweite isolierende Zwischenschicht 15 und als abschließende Schicht folgen die restlichen Teile der Spule 13. Anstelle aufgestäubter Schichten können auch aufgedampfte Schichten zur Anwendung kommen. Die Strukturierung der einzelnen Schichten kann beispielsweise auch auf photoLitographischem Wege erfolgen. Der SpaLt 12 ist auf jeden Fall durch ein solches Verfahren herzustellen, bei dem sich scharfe Ränder und genau reproduzierbare Abmessungen ergeben, beispielsweise durch Photolitographie. Die Breite des Spalts 12 beträgt vorzugsweise etwa das ein- bis zehnfache der Schichtdicke des magnetischen Kreises 11.
Als magnetisierbares Material für den magnetischen Kreis eignen sich in ganz besonderer Weise ferromagnetische amorphe Metalle. Diese haben einerseits hervorragende magnetische Eigenschaften und eignen sich andererseits in hohem Maße für die Herstellung dünner Schichten. Gute ferromagnetische Eigenschaften weisen solche amorphen Metalle auf, die aus einer Legierung bestehen, die auf übergangseLementen der Eisen-Gruppe basieren. Weiter kann das amorphe Metall Metalloide (B, C, Si, Ge, P) sowie Titan, Zirkon, Hafnium und/oder Niob enthalten. Bis zu 5% (Atomprozent) des amorphen Metalls kann aus anderen ELemenlen licslchcn. Hosondors geeignet sind amorphe Metalle aus einer Legierung auf Co-Fe-B«is i s , vorzugsweise aus
BAD ORIGINAL
H . \1 ο I ζ - ί)
Co Fe Β 100_ _ * mit 70 < χ < 80 und 4 < y < 10 (χ, y in Atomprozent). Die isolierenden Zwischenschichten 14 und bestehen aus Quarz; auch andere gebräuchliche Isolatoren wie Al2O,, Ta2°5 °der TiO könnten verwendet werden. Die Spule 13 besteht aus Gold, könnte aber auch aus jedem anderen in der Dünnschichttechnik gebräuchlichen Leitermaterial hergestellt sein. Die Spule 13 könnte sogar aus demselben Material hergestellt sein, wie der magnetische Krei s 11.
Als Auswertescha Ltung 2 kommt jede Schaltung in Frage, die in der Lage ist, die Veränderung einer Induktivität oder deren Absolutwert zu bestimmen. Die Auswerteschaltung 2 oder ein Teil davon kann auf demselben Substrat 10 aufgebracht sein, wie das induktive Bauelement 1.
in gleicher Weise wie die Spule 13 kann auch noch eine zweite Spule 16 den magnetischen Kreis 11 umgeben. In diesem Fall muß die Auswerteschaltung 2 so aufgebaut sein, daß mit ihr Änderungen der Gegeninduktivität erfaßbar sind.
Im folgenden werden einige AnwendungsbeisoieIe für erfindunqsgemäße Sensoren aufgezeigt:
Ein erfindungsgemäßer Sensor kann sehr vorteilhaft angewendet werden, um Drehbewegungen einer Anordnung festzustellen. Bei einem Kraftfahrzeug beispielsweise kann die Drehbewegung eines Antriebsrads ausgewertet werden um Geschwindigkeit und Kilometerstand zu ermitteln. Auch die MotordrehzahL kann auf diese Weise ermittelt werden- Zum Feststellen einer Drehbewegung wird an dem Teil, dessen Drehbewegung festgestellt werden soll oder an einem damit fest verbundenen
BAD ORIGINAL
H.VoIz - 5
TeiL ein Vorsprung 3 aus magnetisierbarem Material angebracht. Das induktive Bauelement 1 des Sensors wird so angeordnet, daß sich der Vorsprung 3 in unmittelbarer Nähe des Spalts 12 vorbeibewegt« Dadurch wird der magnetische Widerstand im Bereich des Spalts 12 und damit die Induktivität des induktiven Bauelements 1 verändert. Beim Kraftfahrzeugmotor beispielsweise eignet sich das ohnehin vorhandene An lass er zahnrad hervorragend zur Feststellung der Drehbewegung des Motors. Das Zahnrad macht die Drehbewegung des Motors mit und die ohnehin vorhandenen Zähne können als die benötigten Vorsprünge 3 aus magnetisierbarem Material verwendet werden. Damit kann nicht nur die Drehzahl, sondern auch der jeweilige Drehwinkel sehr genau erfaßt werden. Hierfür ist allerdings erforderlich, daß durch einen zusätzlichen Vorsprung 3 am Zahnrad und einem zusätzlichen Sensor die Null-Stellung ermittelt wird.
Die eben erwähnte oder eine entsprechende Anordnung gibt die Möglichkeit, bei einem Verbrennungsmotor drehwinke labhängige Vorgänge elektrisch auszulösen.. Solche elektrisch auslösbaren Vorgänge sind außer der Zündung auch noch das öffnen und Schließen elektrisch betätigbarer Ventile.
Anhand der Fig. 2 wird ein weiteres AnwendyngsbeispieL für einen erfindungsgemäßen Sensor erläutert. In Fig, 2a und 2b sind zwei schematisierte Schnitte durch einen Durchflußmesser gezeichnet. In einem Gehäuse 4 ist ein FlügeLrad so angeordnet, daß es durch ein hindurchströmendes Medium in Drehung versetzt wird. Eine der Seitenwände des Gehäuses 4 ist gleichzeitig das Substrat 10, auf dem sich das induktive Bauelement 1 eines Sensors befindet. Fig. 2c zeigt die Aufsicht auf die das Substrat 10 bildende Seitenwand. Gezeigt ist der magnetische Kreis 11 mit dem Spalt 12. Die
- 10 -
3346U43
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Spule 13 ist angedeutet. Weiter ist in Fig. 2b angedeutet, wie die Anschlüsse der Spule 13 ebenfalls als dünne Schichten auf die Außenseite weitergeführt sind. Mindestens einer der Flügel 42 des Flügelrads 41 enthält magnetisierbares Material. Das Vorbei bewegen eines solchen FLügels 42 am Spalt 12 ist somit bestimmbar. Ein derartiger Durchflußmesser kann beispielsweise zur Messung des Kraftstoffverbrauchs im Kraftfahrzeug verwendet werden.
Ein erfindungsgemäßer Sensor kann auch zur Positionsbe-Stimmung für Lineare Bewegungen Verwendung finden, beispielsweise aLs Kontakt für eine Aufzugsteuerung.
Auch manche Flüssigkeiten weisen mehr oder weniger ferroelektrische Eigenschaften auf. Ein erfindungsgemäßer Sensor kann damit auch zur Füllstandsmessung in einem FlüssigkeitsbehäIter verwendet werden. Durch eine Absolutwertmessung kann mit einem einzigen Sensor der Füllstand bestimmt werden, durch Messung von Induktivitatsänderungen kann an einzelnen Punkten die über- oder Unterschreitung von Grenzwerten erkannt werden.
-Al·
- Leerseite -

Claims (14)

Standard ELektrik Lorenz AktiengeseLLschaft Stuttgart H.Volz-5 Patentansprüche
1. Sensor für magnetisierbare Materialien bestehend aus einem induktiven BaueLement und einer AuswerteschaLtung, mit der Änderungen der Induktivität des induktiven Bauelements feststeLLbar sind, dadurch gekennz e i c h η e t , daß das induktive BaueLement (1) aus dünnen Schichten auf einem Substrat (10) aufgebaut ist, daf: eine dieser Schichten aus magnetisierbarem MateriaL besteht und einen magnetischen Kreis (11) mit einem SpaLt
(12) bildet, daß durch weitere, den magnetischen Kreis (11) teiLs über- und teiLs unterquerende Schichten an einer vom SpaLt (12) entfernten SteLLe des Kreises (11) eine den Kreis (11) umsch L i eßende SpuLe (13) gebiLdet wird und daß der Kreis (11) von der SpuLe (13) durch isoLierende Zwischenschichten (14, 15) getrennt ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis (11) von einer zweiten, gleichartigen SpuLe (16) umschlossen wird und daß mit der Auswerteschaltung (2) Änderungen der Gegeninduktivität feststellbar sind.
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Ί 7 . Ί ü „ Ί c> iS 5
-Z-
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3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die AuswerteschaLtung (2) mindestens teiLweise auf demseLben Substrat (10) wie das induktive BaueLement (1) aufgebracht ist.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisierbare MateriaL ein ferromagnetisches amorphes MetaLL ist.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe MetaLL eine Legierung ist, die auf übergangselementen der Eisen-Gruppe basiert.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe MetaLL MetaLLoide (B, C, Si, Ge, P) enthält.
7. Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe MetaLL Titan, Zirkon, Hafnium und/oder Niob enthält.
S. Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu fünf Prozent (Atomprozent) des amorphen Metalls aus anderen Elementen besteht.
9. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe MetaLL eine Legierung auf Co-Fe-Basis ist.
10. Sensor nach den Ansprüchen 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe Metall aus
COxFeyBi00-x-y
besteht mit
70 ~ x < 80 (x in Atomprozent)
4 < χ < 10 (y in Atomprozent).
33466A3
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11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Spalts (12) etwa das ein- bis zehnfache der Schichtdicke des Kreises (11) beträgt.
12. Anordnung zum Feststellen einer Drehbewegung mit
einem Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Teil, dessen Drehbewegung festgestellt werden soll oder an einem damit fest verbundenen Teil ein oder mehrere Vorsprünge (3) aus magnetisierbarem Material angebracht sind und daß das induktive Bauelement (1) des Sensors so angeordnet ist, daß der magnetische Widerstand im Bereich des Spalts (12) durch den oder die Vorsprünge (3) bei deren Bewegung verändert wird.
13. Verbrennungsmotor mit mindestens einer Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Vorsprünge (3) und Spalte (12) so angebracht sind, daß damit drehwinke lab· hängige Vorgänge auslösbar sind.
14. Durchflußmesser mit einer Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse (4) ein Flügelrad (41) vorhanden ist, durch das die Strömungsbewegung in eine Drehbewegung umgesetzt wird, daß wenigstens einer der Flügel (42)des Flügelrads (41) aus magnetisierbarem Material besteht oder solches enthält und daß eine der Seitenwände des Gehäuses (4) durch das Substrat (1Q) gebildet wird, auf dem sich das induktive Bauelement (1) befindet.
DE19833346643 1983-12-23 1983-12-23 Sensor fuer magnetisierbare materialien Withdrawn DE3346643A1 (de)

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