DE19809794A1 - Induktiver Mikrosensor zur Messung von Dehnung - Google Patents

Description

Seit langem sind verschiedenste Verfahren bekannt, mechanische Größen mittels Sensoren zu messen, indem die eigentliche Meßgröße in ein elektrisches Signal gewandelt wird, das mittels Signalverarbeitung ausgewertet werden kann. Zur Messung von Dehnungen und Kräften kommen im wesentlichen piezoresistive und piezoelektrische Sensoren zur Anwendung. Auch die Nutzung magnetoelastischer Prinzipien wurde an verschiedenen Stellen beschrieben. Es wurden Meßaufbauten vorgestellt, bei denen der Meßkörper aus einem magnetostriktiven Material besteht oder mit einem magnetostriktiven Werkstoff beschichtet oder auf andere Weise versehen ist [I. Sasada et al.: "Torque Transducers with stress-sensitive amorphous ribbons of Chevron-pattern", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-20, No. 5, September 1984, S. 951-953]. Der so beschichtete Meßkörper bildet einen Teil eines magnetischen Kreises eines induktiven Bauelementes. Durch die Ausbildung mechanischer Spannungen aufgrund von einwirkenden Kräften oder als Folge von Dehnungen verändern sich entsprechend des Villary-Effektes die magnetischen Werkstoffeigenschaften des magnetostriktiven Werkstoffes und damit die elektrischen Eigenschaften des induktiven Bauelementes. Das Sensorelement wird dabei in verschiedenen Ausführungen realisiert. Zur Detektion der Flußänderungen kommen beispielsweise Magnetdioden zum Einsatz [P. Rombach, H. Steiger, W. Langheinrich: "Planar coils with ferromagnetic yoke for a micromachined torque sensor", J. Micromech. Microeng. 5 (1995), S. 136-138]. Ein weiterer Ansatz beruht auf der Verwendung der Magnetkopftechnologie zur Herstellung von Drehmomentsensoren [I. Sasada et al.: "Noncontact Torque sensors using magnetic heads and a magnetostrictive layer on the shaft surface - Application of plasma jet spraying process", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag-22, No. 5, September 1986, S. 406-408]. Andere Ansätze beruhen auf der Verwendung transformatorischer Bauelemente. Dabei wird ein dünner Folienstreifen aus amorphem, metallischem Glas als Transformatorkern in eine Spulenstruktur eingeflochten. Die Permeabilitätsänderung aufgrund der Verspannung des Kernmaterials bewirkt eine veränderte Kopplung der Spulen des Transformators. Zur Herstellung werden Verfahren der Platinenfertigung eingesetzt [H. Kabelitz: Entwicklung und Optimierung magnetoelastischer Sensoren und Aktuatoren, Berlin: Dissertation Technische Universität Berlin, 1994].

Die große Bedeutung magnetoelastischer Prinzipien ist darin zu sehen, daß sie gegenüber piezoresistiven Verfahren höhere Empfindlichkeit aufweisen. Als Maß zur Bewertung der Empfindlichkeit läßt sich der k-Faktor heranziehen. Der k-Faktor ist der Quotient aus der auf den Gesamtwiderstand bezogenen Widerstandsänderung und der Dehnung. Erreichen metallische Dehnungsmeßstreifen k-Fak­ toren kleiner als 10, können für piezoresistive Halbleitersensoren auf Siliziumbasis Empfindlichkeiten mit k in der Höhe von 200 ermittelt werden. Von makroskopischen, magnetoelastischen Bauelementen ist bekannt, daß sich ca. um eine Zehnerpotenz höhere Empfindlichkeiten erreichen lassen als bei piezoresistiven Siliziumsensoren.

Die bisher vorgestellten magnetoelastischen Sensoren zeigen in der Praxis die Problematik, daß die Sensoren aufgrund der verwendeten Fertigungsverfahren nicht einfach zu miniaturisieren sind. Damit begrenzen sich auch die Einsatzbereiche dieser Sensoren. Durch die für die Montage notwendige Hybridtechnik beim transformatorischen Aufbau ergibt sich die Problematik, daß die magnetoelastischen Folienstreifen mit den Spulenkörpern verbunden werden müssen. Die Fixierung der Folienstreifen wird beispielsweise durch Verkleben erzielt. Das mechanische Verhalten dieser Fügestellen geht wesentlich in die Kraftübertragung ein und bestimmt nachhaltig das Sensorverhalten des Elementes. Im Fall von Sensoren, bei denen ein beschichteter Probenkörper in einen magnetischen Kreis eingebunden wird, wird das sensierende Element nicht stoffschlüssig mit dem Probenkörper verbunden. Die Vermessung kann in diesem Fall zwar kontaktlos erfolgen, die unvermeidlichen Luftspalte senken jedoch die Empfindlichkeit des Systems.

Die im ersten Patentanspruch vorgestellte Variante des Sensors beruht ebenfalls auf der Nutzung des Transformatorprinzip zur Sensierung durch Dehnung verursachter magnetoelastischer Effekte. Der Erfindung liegt zugrunde, daß durch den Einsatz von mikrotechnischen Verfahren ein Mikroelement geschaffen werden kann, das erhebliche Vorteile gegenüber bereits veröffentlichten Versionen aufweist. Durch die Verwendung der Dünnfilmtechnik ist es möglich, Verbindungen geringster mechanischer Hysterese und günstigen Kriechverhaltens bei direkter Kraftübertragung zu erreichen. Die Führung des Flusses wird dabei durch ein Kernelement übernommen, das der Kopplung zwischen den beiden Transformatorspulen dient. Als magnetoelastische Werkstoffe für die Flußführungen kommen Materialien in Frage, die beispielsweise durch Kathodenzerstäubung, Galvanik oder andere mikrotechnische Beschichtungsverfahren abgeschieden werden können. Als Spulenwerkstoffe kommen Leiterwerkstoffe wie Kupfer in Frage. Sind die Spulen und die Magnetstrukturen gegeneinander zu isolieren, können organische und anorganische Isolatoren eingesetzt werden.

Im Patentanspruch 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung von Patentanspruch 1 angegeben, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von zwei Spulen nur eine Spule mit Abgriff verwendet wird. Solch ein Transformatoraufbau wird als Spartransformator bezeichnet.

In Patentanspruch 3 wird eine weitere vorteilhafte Erweiterung der Erfindung vorgestellt. Anstelle einer Sekundärspule kommt ein magnetoresistiver Sensor zum Einsatz, um den vom Kern übertragenen Fluß zu sensieren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen Fig. 1 bis Fig. 6. Fig. 1 zeigt den Aufbau des Transformatorelements, wie es in Patentanspruch 1 beschrieben wird. Das Element wird in Dünnfilmtechnik gefertigt. Die zweilagigen Spulen 1 und 2 werden durch einen Kern 3 gekoppelt. Die Spulen sind durch eine Isolationsschicht 4 elektrisch isoliert. Der Transformator befindet sich auf dem Probenkörper 5 und kann durch eine Isolation 6 von diesem elektrisch isoliert sein. Fig. 2 zeigt einen Transformator in der Draufsicht mit den Spulen 1 und 2, sowie dem Kern 3.

Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Transformators in Sparschaltung. Die Einzelspule 1 ist von einem weichmagnetischen, magnetoelastischen Kern 2 umschlossen. Die Spule ist mit mehreren Anschlüssen 3a, 3b, 3c versehen.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung mit einer Primärspule und einem magnetoresistiven Sensor zur Flußsensierung. Spule 1 dient der Einkopplung des Feldes in Kern 2. Der Kern bildet an der Sekundärseite einen Spalt 3, in dem der magnetoresistive Sensor 4 angebracht ist.

Einsatzbeispiele des Mikrosensors zeigen Fig. 5 und Fig. 6. Fig. 5 zeigt die Anordnung des Dehnmeß- Mikrosensors auf einem Biegebalken zur Kraftmessung. Der Mikrosensor 1 ist an der Einspannstelle 2 eines Biegebalkens 3, aufgebracht. Erfährt der Biegebalken eine Auslenkung durch eine Kraft F, so erfaßt der Mikrosensor diese Auslenkung als Dehnung. Fig. 6 zeigt die Anordnung des Dehnmeß- Mikrosensors auf einem Torsionsrohr zur Momentenmessung. Der Mikrosensor 1 ist auf einem Torsionsrohr 2 aufgebracht. Erfährt das Torsionsrohreine Verdrehung durch ein Moment M, so erfaßt der Mikrosensor diese Verdrehung als Dehnung.

Claims (3)

1. Induktiver Mikrosensor zur Messung von Dehnung, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus zwei mikrotechnisch hergestellten Spulen besteht, die durch einen Kern aus magnetoelastischem Material gekoppelt sind.

2. Sensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Spulenstrukturen durch eine mikrotechnisch hergestellte Einzelspule mit Abgriff, einem sogenannten Spartransformator, ersetzt sind.

3. Sensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Spulen durch einen magnetoresistiven Sensor ersetzt wird, welche in einem Spalt zwischen oberer und unterer Kernhälfte angeordnet ist und die Sensierung des über den Kern eingekoppelten Flusses ausführt.