AT520062B1

AT520062B1 - Gradientenmagnetometer und dessen Verwendung

Info

Publication number: AT520062B1
Application number: ATA50378/2017A
Authority: AT
Inventors: Stifter Dr Michael; Steiner Dr Harald
Original assignee: Donau Univ Krems
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2022-12-15
Also published as: AT520062A1

Abstract

Gradientenmagnetometer (12) umfassend einen Rahmen (18) sowie eine im Rahmen angeordnete und an diesem befestigte mikromechanische Struktur (1), wobei sich die mikromechanische Struktur in einem Ruhezustand (2) im Wesentlichen in einer Achsenebene (4) erstreckt, wobei ein Leitmittel (5) vorgesehen ist, das an der mikromechanischen Struktur angeordnet und mit dieser verbunden ist und eine offene Leiterschleife (7) ausbildet, wobei das Leitmittel mit einem Wechselstrom beaufschlagbar ist, um unter Ausnutzung der Lorentz-Kraft (FL) die mikromechanische Struktur in einen angeregten Zustand (3) überzuführen, wenn sich die mikromechanische Struktur in einem Magnetfeld befindet, wobei die mikromechanische Struktur im angeregten Zustand unter elastischen Verformungen im Rahmen schwingt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gradientenmagnetometer mindestens ein Detektionsmittel (14) umfasst, um die Verformungen der mikromechanischen Struktur in der Achsenebene zu bestimmen, und dass das Gradientenmagnetometer eine Steuereinheit (16) umfasst, die derart ausgelegt ist, dass eine Magnetfeldkomponente (Bz) in z-Richtung und/oder eine zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente (∂xBz) in x-Richtung und/oder eine zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente (∂yBz) in y- Richtung anhand der detektierten Verformungen in der Achsenebene bestimmt werden.

Description

Beschreibung

GRADIENTENMAGNETOMETER UND DESSEN VERWENDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gradientenmagnetometer umfassend einen Rahmen sowie eine im Rahmen angeordnete und an diesem befestigte mikromechanische Struktur, wobei sich die mikromechanische Struktur in einem Ruhezustand im Wesentlichen in einer Achsenebene, die durch eine erste Achse und eine zweite Achse aufgespannt ist, erstreckt, wobei die erste Achse parallel zu einer x-Richtung ist und die zweite Achse parallel zu einer auf die xRichtung normal stehenden y-Richtung und wobei eine z-Richtung normal auf die Achsenebene steht, wobei ein Leitmittel vorgesehen ist, das an der mikromechanischen Struktur angeordnet und mit dieser verbunden ist und eine offene Leiterschleife ausbildet, wobei das Leitmittel mit einem Wechselstrom beaufschlagbar ist, um unter Ausnutzung der Lorentz-Kraft die mikromechanische Struktur in einen angeregten Zustand überzuführen, wenn sich die mikromechanische Struktur in einem Magnetfeld befindet, wobei die mikromechanische Struktur im angeregten Zustand unter elastischen Verformungen im Rahmen schwingt.

[0002] Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers.

STAND DER TECHNIK

[0003] Die Messung eines Gradienten eines Magnetfelds spielt in unterschiedlichsten Gebieten der Technik eine Rolle, beispielsweise bei der Qualitätskontrolle von Bandstahl.

[0004] Generell kann die Stärke des Magnetfelds durch die magnetische Flussdichte B beschrieben werden. Deren Gradient ergibt sich aus der Anderung von B pro Einheitsdistanz. Da B eine vektorielle Größe ist, die im Allgemeinen selbst eine Funktion aller drei räumlichen Koordinaten ist, handelt es sich bei dem Gradienten grundsätzlich um einen Tensor bestehend aus sämtlichen partiellen Ableitungen der drei räumlichen B-Feld-Komponenten nach den räumlichen Koordinaten.

[0005] In der Praxis werden zur Messung des Gradienten meist zwei Magnetfeldsensoren, z.B. Hall-Sensoren, verwendet, die die Größe von B an zwei verschiedenen, in einem wohldefinierten Abstand voneinander befindlichen Orten messen, wobei eine lineare Variation des B-Felds innerhalb dieses Abstands angenommen wird. Hierauf wird die Differenz der gemessenen Werte für B gebildet und durch den Abstand dividiert. Diese Methode mit zwei Sensoren hat den fundamentalen, nicht vermeidbaren Nachteil, dass es keine vollständig identischen Sensoren gibt, d.h. die Sensoren werden immer zumindest geringfügig unterschiedliche Charakteristika aufweisen, weshalb die Differenz der gemessenen B-Felder äußerst anfällig für Fehler ist. Die Verwendung von zwei Sensoren bedingt also bereits einen relativ großen Messfehler.

[0006] Bei der genannten Qualitätskontrolle von Bandstahl kommen beispielsweise zwei Sensoren zum Einsatz, vgl. z.B. „Flat-Rolled Steel Processes: Advanced Technologies“, Vladimir B. Ginzburg (Editor), 2009. Dabei wird mittels einer Induktionsspule ein an dieser vorbeilaufendes Stahlband lokal aufmagnetisiert und läuft dann zwischen zwei Sensoren vorbei, die ober- bzw. unterhalb des Stahlbands angebracht sind. Die Sensoren sollen während des Durchlaufens des Stahlbands sowohl die auf das Stahlband senkrecht stehende Magnetfeld- bzw. B- Feld-Komponente als auch deren Ableitung registrieren, um hieraus die Zugfestigkeit sowie die Streckgrenze des Stahls bestimmen zu können.

[0007] Bekannte Sensoren haben dabei außerdem den Nachteil, dass Komponenten des Magnetfelds bzw. des Magnetfeldgradienten, die nicht von Interesse sind, das Messergebnis für die interessierenden Komponenten verfälschen können. D.h. unterschiedliche Komponenten können mit bekannten Sensoren nicht immer sauber voneinander getrennt werden.

[0008] Aus der US 2012/0176128 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Magnetfelds bekannt, welche einen Sensor aufweist, der ein sog. Drive Subsystem sowie ein sog. Sense Subsystem umfasst. Im Drive Subsystem ist ein Antriebspunkt über Stege an einem Rahmen befestigt. Durch die Stege kann mittels einer Stromquelle ein Wechselstrom geschickt werden. Bei Vorliegen eines Magnetfelds kommt es sodann aufgrund der Lorentz-Kraft zu einer Auslenkung des Antriebspunkts, die über eine Feder als Kopplungselement auf einen Sensorpunkt des Sense Subsystems übertragen wird. Diese übertragene Auslenkung wird mittels eines Messfühlers bestimmt und mittels einer Auswerteeinheit verarbeitet.

[0009] Weiters ist aus der US 7642692 B1 ein Magnetfeldsensor bzw. ein Magnetometer mit einer mikromechanischen Struktur bekannt, die in einem Rahmen aufgehängt ist und mit einer offenen Leiterschleife versehen ist. Bei Beaufschlagung mit Wechselstrom mit der Resonanzfrequenz und Vorhandensein eines Magnetfelds verformt sich die mikromechanische Struktur, wobei die Verformung piezoelektrisch detektiert wird. Die Größe der detektierten Verformung gibt ein Maß für das Magnetfeld.

[0010] Schließlich ist aus M. Li et al., Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 21, No. 4, 1002-1010 (2012) ein Magnetometer bekannt, das mittels einer resonant schwingenden MEMSStruktur unter Ausnutzung der Lorentz-Kraft arbeitet, wobei die MEMS-Struktur mit einem entsprechenden Anrege-Wechselstrom beaufschlagt wird. Dabei werden Bewegungen der MEMSStruktur in der Ebene und aus der Ebene heraus kapazitiv detektiert.

AUFGABE DER ERFINDUNG

[0011] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gradientenmagnetometer zur Verfügung zu stellen, das die oben geschilderten Nachteile vermeidet. Vorzugsweise sollen dabei einzelne Komponenten eines Magnet- bzw. B-Feld-Gradienten sauber voneinander getrennt bestimmt werden können. Insbesondere soll die Bestimmung einzelner, vorzugsweise mehrerer einzelner, Komponenten des Magnet- bzw. B-Feld- Gradienten mit nur einem Sensor bzw. nur einer Messung möglich sein.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG [0012] Hier und im Folgenden sind Magnetfeld und B-Feld synonym zu verstehen.

[0013] Zur Lösung der genannten Aufgabenstellung ist es bei einem Gradientenmagnetometer umfassend einen Rahmen sowie eine im Rahmen angeordnete und an diesem befestigte mikromechanische Struktur, wobei sich die mikromechanische Struktur in einem Ruhezustand im Wesentlichen in einer Achsenebene, die durch eine erste Achse und eine zweite Achse aufgespannt ist, erstreckt, wobei die erste Achse parallel zu einer x-Richtung ist und die zweite Achse parallel zu einer auf die x-Richtung normal stehenden y-Richtung und wobei eine z-Richtung normal auf die Achsenebene steht, wobei ein Leitmittel vorgesehen ist, das an der mikromechanischen Struktur angeordnet und mit dieser verbunden ist und eine offene Leiterschleife ausbildet, wobei das Leitmittel mit einem Wechselstrom beaufschlagbar ist, um unter Ausnutzung der LorentzKraft die mikromechanische Struktur in einen angeregten Zustand überzuführen, wenn sich die mikromechanische Struktur in einem Magnetfeld befindet, wobei die mikromechanische Struktur im angeregten Zustand unter elastischen Verformungen im Rahmen schwingt, erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gradientenmagnetometer mindestens ein Detektionsmittel umfasst, um die Verformungen der mikromechanischen Struktur in der Achsenebene zu bestimmen, und dass das Gradientenmagnetometer eine mit dem mindestens einen Detektionsmittel verbundene Steuereinheit umfasst, wobei die Steuereinheit derart ausgelegt ist, dass eine Magnetfeldkomponente in z-Richtung und/oder eine zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente in x-Richtung und/ oder eine zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente in y-Richtung anhand der detektierten Verformungen in der Achsenebene bestimmt werden.

[0014] Dem erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometer liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass eine offene Leiterschleife, die im Wesentlichen - d.h. bis auf die unvermeidlich räumlich getrennten Anfangs- und Endbereiche einer offenen Leiterschleife - achsensymmetrisch bzw.

spiegelsymmetrisch in einer Achsenebene angeordnet ist, zu achsensymmetrischen bzw. spiegelsymmetrischen Schwingungen in der Achsenebene angeregt wird, wenn sie mit Wechselspannung bzw. Wechselstrom beaufschlagt wird und ein Magnetfeld mit einer senkrecht auf die Achsenebene stehenden Komponente - d.h. mit einer Komponente in der z-Richtung, B-; - vorliegt, wobei jedoch keine zugehörigen Magnetfeldgradientenkomponenten vorliegen, genauer wobei die partiellen Ableitungen von B-; in x- und y-Richtung null sind. „Zugehörig“ verdeutlicht dabei, dass es sich bei den Magnetfeldgradientenkomponenten um die partiellen Ableitungen von B-;, also von der Magnetfeldkomponente in z- Richtung, handelt. „Achsensymmetrische bzw. spiegelsymmetrische Schwingungen“ bedeutet, dass die Leiterschleife sich bei den Schwingungen im Wesentlichen achsensymmetrisch bzw. spiegelsymmetrisch in der Achsenebene verformt.

[0015] Als Spezialfall hiervon sei der Fall einer im Wesentlichen kreissymmetrisch in der Achsenebene angeordneten Leiterschleife genannt, die bei Beaufschlagung mit Wechselstrom und Vorliegen der Magnetfeldkomponente B- ohne Magnetfeldgradient zu kreissymmetrischen Schwingungen angeregt wird. Analog bedeutet „kreissymmetrische Schwingungen“, dass die Leiterschleife sich bei den Schwingungen im Wesentlichen kreissymmetrisch verformt.

[0016] Liegt hingegen eine zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente in x-Richtung vor, welche durch die partielle Ableitung von Bz in x-Richtung gebildet (0B,/öx, im Folgenden auch als 0d,Bz bezeichnet) und ungleich null ist, und/oder eine zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente in y-Richtung, welche durch die partielle Ableitung von B-; in y-Richtung gebildet (0B7/öy, im Folgenden auch als ö,B; bezeichnet) und ungleich null ist, führt dies zu Schwingungen bzw. Verformungen der Leiterschleife, die von der oben genannten Achssymmetrie/Spiegelsymmetrie ggf. Kreissymmetrie - abweichen. Es können daher sehr leicht diese Magnetfeldgradientenkomponenten von der Magnetfeldkomponente B, unterschieden werden bzw. beeinflusst die Magnetfeldkomponente B; nicht die Detektion der Magnetfeldgradientenkomponenten 0,B- und ö,B-. Die x-Richtung und die normal auf diese stehende y-Richtung liegen dabei in bzw. parallel zur Achsenebene.

[0017] Es sei bemerkt, dass ö,B, und/oder ö,B; ungleich null sein können, auch wenn B-, im Mittel - bezogen auf die räumliche Ausdehnung der Leiterschleife bzw. der mikromechanischen Struktur - null ist.

[0018] Dieses Prinzip lässt sich natürlich auf praktisch beliebige Geometrien der Leiterschleife in der Achsenebene verallgemeinern. D.h. für das einwandfreie Funktionieren des erfindungsgemäBen Gradientenmagnetometers genügt es, die genaue Geometrie der Leiterschleife - und vorzugsweise der mikromechanischen Struktur - in der Achsenebene im Ruhezustand zu kennen, um aus den detektierten bzw. mittels des mindestens einen Detektionsmittels bestimmten Verformungen im angeregten Zustand die Größe der vorhandenen Magnetfeldkomponente B, und/oder der vorhandenen Magnetfeldgradientenkomponente 0,B; und/oder der vorhandenen Magnetfeldgradientenkomponente 0,B; bestimmen zu können.

[0019] Sind die Magnetfeldkomponente B,; und/oder die Magnetfeldgradientenkomponente 0,Bund/oder die Magnetfeldgradientenkomponente d,B; nicht vorhanden, ergibt die Bestimmung entsprechend null für die jeweilige Komponente.

[0020] „Verformungen in der Achsenebene“ ist dabei so zu verstehen, dass nur jener Anteil bzw. nur jene Komponenten der Verformungen berücksichtigt wird bzw. werden, die in der Achsenebene liegen. Sofern tatsächlich auch Verformungen außerhalb der Achsenebene vorliegen, liegt der Verlauf der verformten Leiterschleife nicht mehr ausschließlich in der Achsenebene. Die Verformungen in der Achsenebene ergeben sich sodann unmittelbar durch die Projektion des Verlaufs der verformten Leiterschleife auf die Achsenebene.

[0021] Aufgrund der problemlosen Trennung der unterschiedlichen Magnetfeld- bzw. Magnetfeldgradientenkomponenten mittels des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers kann dieses auch als selektives Vektor-Gradientenmagnetometer bezeichnet werden.

[0022] Dass die mikromechanische Struktur im Ruhezustand auch in z- Richtung eine gewisse Erstreckung aufweist, ist klar, doch ist diese Erstreckung deutlich kleiner als jene in der Achsen-

ebene.

[0023] Die erste Achse und die zweite Achse schneiden einander vorzugsweise im Zentrum der mikromechanischen Struktur (in der Achsenebene).

[0024] Die Anordnung des Leitmittels an der mikromechanischen Struktur kann sowohl im Sinne von „auf“ der mikromechanischen Struktur verstanden werden als auch im Sinne von „in“ der mikromechanischen Struktur. Beispielsweise kann als Leitmittel eine Leiterbahn auf die mikromechanische Struktur in an sich bekannter Weise aufgebracht sein. Es ist aber auch denkbar, dass das Leitmittel in an sich bekannter Weise in die mikromechanische Struktur integriert oder gar einstückig mit dieser ausgeführt ist.

[0025] Aufgrund der sich ergebenden mechanischen Kopplung des Leitmittels mit der mikromechanischen Struktur kann jedenfalls auch auf letztere die Lorentz-Kraft wirken und zur Verformung bzw. Schwingung der mikromechanischen Struktur führen.

[0026] Die Leitmittel-Anordnung an der mikromechanischen Struktur bildet die offene Leiterschleife aus. Entsprechend verläuft die Leiterschleife im Ruhezustand im Wesentlichen in der Achsenebene der mikromechanischen Struktur, wobei herstellungsbedingt das Leitmittel auch eine Erstreckung und damit auch einen gewissen Verlauf normal zur Achsenebene hat, wobei die Erstreckung in z-Richtung aber deutlich kleiner ist als in der Achsenebene.

[0027] Grundsätzlich ermöglicht das Leitmittel einen Stromfluss in Form von bewegten Ladungsträgern zwischen einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Leiterschleife an der mikromechanischen Struktur, wenn das Leitmittel mit Strom, insbesondere Wechselstrom, beaufschlagt wird.

[0028] Die Verformungen der Leiterschleife bzw. der mikromechanischen Struktur ermöglichen nicht nur die Bestimmung von Werten für 0,B; und ö,B-, sondern zeigen auch an, wie 0,B- und Ö‚Bz als Funktion der x- und y-Richtungen bzw. Koordinaten variieren, d.h. wie die Gradientenfelder 0-B-(x,y) und ö,B-(x,y) aussehen. Konkret werden bei Vorliegen eines inhomogenen Gradientenfelds stark asymmetrische Verformungen beobachtet. Die verformte Leiterschleife bzw. mikromechanische Struktur weist dabei üblicherweise überhaupt keine Symmetrie, insbesondere keine Achsensymmetrie, in der Achsenebene auf. Bei Vorliegen eines homogenen Gradientenfelds kann die verformte Leiterschleife bzw. mikromechanische Struktur hingegen gewisse Symmetrien, insbesondere Achsensymmetrien, in der Achsenebene aufweisen, wobei es jedoch zu einer Verschiebung des Zentrums der Leiterschleife bzw. der mikromechanischen Struktur in der Achsenebene kommt. D.h. das Zentrum in der Achsenebene ist dann an einem anderen Punkt als in jenem Fall, wo 0,B- und ö,B-; gleich null sind. Es sei bemerkt, dass die Verschiebung des Zentrums der verformten Leiterschleife klarerweise bedingt, dass die Symmetrie der verformten Leiterschleife bzw. mikromechanischen Struktur im Allgemeinen eine andere ist als im (unverformten) Ruhezustand.

[0029] Unter einem homogenen Gradientenfeld ist dabei ein Verlauf der jeweiligen Magnetfeldgradientenkomponente in x- und y-Richtung zu verstehen, der über den von der mikromechanischen Struktur abgedeckten Bereich der Achsenebene im Wesentlichen linear variiert bzw. angenähert werden kann. Variiert die jeweilige Magnetfeldgradientenkomponente im besagten Bereich hingegen nicht linear, ist von einem inhomogenen Gradientenfeld die Rede. Es lässt sich also sagen, dass mittels der Leiterschleife bzw. der mikromechanischen Struktur eine mechanische Abbildung des Gradientenfelds ermöglicht wird.

[0030] Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers vorgesehen, dass die Steuereinheit derart ausgelegt ist, dass anhand der detektierten Verformungen in der Achsenebene bestimmt wird, ob die zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente in x-Richtung und/oder die zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente in y-Richtung linear oder nichtlinear in einem von der mikromechanischen Struktur abgedeckten Bereich der Achsenebene variiert.

[0031] Entsprechend dem oben Gesagten ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des er-

findungsgemäßen Gradientenmagnetometers vorgesehen, dass die Leiterschleife in der Achsenebene im Wesentlichen achsensymmetrisch, vorzugsweise kreisförmig, verläuft und dass die Steuereinheit derart ausgelegt ist, dass die Magnetfeldkomponente in z-Richtung anhand von im Wesentlichen achsensymmetrischen, vorzugsweise kreissymmetrischen, Verformungen in der Achsenebene bestimmt wird und/oder dass die zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente in x-Richtung und/oder die zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente in y-Richtung anhand von von dieser Symmetrie abweichenden Verformungen in der Achsenebene bestimmt werden.

[0032] Der im Wesentlichen achsenförmige, vorzugsweise kreisförmige, Verlauf der Leiterschleife in der Achsenebene ist so zu verstehen, dass bis auf geringfügige Abweichungen eine achsensymmetrische Form, vorzugsweise eine Kreisform, vorliegt. Die geringfügigen Abweichungen können z.B. daher rühren, dass es sich um eine offene Leiterschleife handelt, deren Anfangsund Endbereich nicht zusammenfallen. Weiters sind in der Praxis geringfügige Abweichungen von einer mathematisch perfekten Achsensymmetrie, vorzugsweise Kreissymmetrie, aus herstellungstechnischen Gründen mitunter unvermeidlich.

[0033] Ebenso sind die im Wesentlichen achsensymmetrischen, vorzugsweise kreissymmetrischen, Verformungen so zu verstehen, dass sehr kleine Abweichungen von der Achsensymmetrie, vorzugsweise Kreissymmetrie, ggf. herstellungstechnisch und/oder messtechnisch bedingt nicht aufgelöst werden können.

[0034] Mit „dieser Symmetrie“ ist jene Symmetrie gemeint, die sich für die Verformungen bei vorhandener Magnetfeldkomponente in z-Richtung (d.h. B-z ist ungleich null) ergibt.

[0035] Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur an Aufhängungsbereichen des Rahmens befestigt ist, wobei die Leiterschleife von einem der Aufhängungsbereiche zu diesem wieder zurück verläuft. Dies ermöglicht zum einen eine fast vollständig geschlossene Form der Leiterschleife bzw. des Leitmittels an der mikromechanischen Struktur. Zum anderen kann eine elektrische Kontaktierung der Leiterschleife bzw. des Leitmittels problemlos am Rahmen, vorzugsweise im oder nahe zum Aufhängungsbereich, erfolgen.

[0036] Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur mittels federnder Elemente am Rahmen befestigt ist, wobei die federnden Elemente und die mikromechanische Struktur vorzugsweise einstückig gefertigt sind. Die Aufhängung mittels federnder Elemente begünstigt die Möglichkeit für elastische Verformungen der mikromechanischen Struktur und erhöht somit die Empfindlichkeit bzw. Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers.

[0037] Die einstückige Fertigung kann die Herstellung wesentlich vereinfachen, wobei in diesem Fall die federnden Elemente beispielsweise als relativ - d.h. im Vergleich zur restlichen mikromechanischen Struktur - dünne Stege ausgebildet sein können, die vorzugsweise zumindest abschnittsweise eine mäanderförmige Struktur aufweisen.

[0038] Um eine herstellungstechnische Vereinfachung zu erzielen, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur und der Rahmen einstückig gefertigt sind.

[0039] Um die mikromechanische Struktur - ggf. mit den federnden Elementen -, und vorzugsweise auch den Rahmen, wohldefiniert mit gewünschten mechanischen Eigenschaften herstellen zu können, können die mikromechanische Struktur und/oder der Rahmen aus, vorzugsweise einkristallinem, Silizium gefertigt sein. Dies ermöglicht beispielsweise die, insbesondere einstückige, Herstellung auf Basis eines Silizium-Wafers oder Silicon-On-Insulator (SOl)-Wafers in an sich bekannter Weise.

[0040] Eine herstellungstechnisch vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, indem als Leitmittel eine Leiterbahn, vorzugsweise aus Gold, vorgesehen ist. Die Leiterbahn verläuft entsprechend auf der mikromechanischen Struktur.

[0041] Wie bereits geschildert, können die mikromechanische Struktur und auch die Leiter-

schleife unterschiedlichste Geometrien in der Achsenebene aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers ist vorgesehen, dass Abschnitte des Verlaufs der Leiterschleife in der Achsenebene unterschiedliche Krümmungen, vorzugsweise Krümmungen mit unterschiedlichem Vorzeichen, aufweisen. Dies ermöglicht es insbesondere, dass abschnittsweise mäanderförmige Abschnitte der mikromechanischen Struktur vorgesehen werden können, wobei der Verlauf des Leitmittels an der mikromechanischen Struktur bzw. der Leiterschleife entsprechend ebenfalls abschnittsweise die Mäanderform in der Achsenebene aufweist. Auf diese Weise kann die mikromechanische Struktur aus Teilabschnitten aufgebaut sein, die miteinander über die mäanderförmigen Abschnitte verbunden sind. Die mäanderförmigen Abschnitte können insbesondere relativ dünn/schmal bzw. mit dünnen/schmalen Stegen ausgeführt sein, sodass diese als federnde Elemente bzw. Abschnitte fungieren und sich die Teilabschnitte relativ zueinander somit leicht bewegen lassen. D.h. die elastischen Verformungen der mikromechanischen Struktur können durch die Bewegungen der Teilabschnitte relativ zueinander zumindest teilweise bewirkt werden. Wiederum wird damit die Möglichkeit für elastische Verformungen der mikromechanischen Struktur begünstigt, und es erhöht sich somit die Empfindlichkeit bzw. Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers.

[0042] Um eine herstellungstechnische Vereinfachung zu erzielen, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers vorgesehen, dass die Leiterschleife in der Achsenebene abschnittsweise geradlinig verläuft. Ein vollständig geradliniger Verlauf ist klarerweise nicht möglich, da sonst keine Leiterschleife vorliegen würde. Es sei bemerkt, dass hier und im Folgenden „Krümmung“ so zu verstehen ist, dass insbesondere die oben geschilderten mäanderförmigen Abschnitte bzw. Abschnitte mit unterschiedlich gekrümmtem Verlauf entsprechend auch durch aufeinanderfolgende geradlinige Abschnitte ausgebildet sein können (obgleich streng mathematisch gesehen die Krümmung eines geradlinigen Teilabschnitts null ist). D.h. z.B. auch ein sich aus geradlinigen Abschnitten ergebender S-förmiger Verlauf ist als Verlauf mit unterschiedlichen Krümmungen bzw. mit Krümmungen unterschiedlicher Vorzeichen zu verstehen.

[0043] Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers ist vorgesehen, dass die Leiterschleife in der Achsenebene entlang eines Polygons verläuft. Durch die Ausformung des Verlaufs als Vieleck ergibt sich eine besonders einfache Herstellbarkeit. Analog kann auch ein Verlauf bzw. eine Kontur der mikromechanischen Struktur als Polygon ausgebildet sein.

[0044] Wie bereits mehrfach festgehalten, können die mikromechanische Struktur und auch die Leiterschleife unterschiedlichste Geometrien in der Achsenebene aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur in der Achsenebene zentrosymmetrisch oder spiegelsymmetrisch zur ersten Achse und/oder zur zweiten Achse ist. Die genannten Symmetrien lassen sich bei der mikromechanischen Struktur exakt realisieren, bei der Leiterschleife hingegen mitunter nur annähernd, da diese als offene Leiterschleife ausgebildet ist.

[0045] Bei der zentrosymmetrischen Ausführung kommt als Symmetriezentrum vor allem das Zentrum der mikromechanischen Struktur in der Achsenebene in Frage, das vorzugsweise durch den Schnittpunkt der ersten und zweiten Achse gegeben ist.

[0046] Ganz allgemein kann die mikromechanische Struktur durch die erste und zweite Achse in der Achsenebene in vier Quadranten unterteilt sein, wobei die Quadranten keine quadratische Grundfläche haben müssen, sondern z.B. auch rechteckförmig sein können. Eine derartige Ausgestaltung kann die Detektion der elastischen Verformungen erleichtern, insbesondere wenn die Detektion optisch erfolgt. Selbstverständlich sind aber auch andere, insbesondere aus dem Stand der Technik bekannte, Arten der Detektion möglich, z.B. mittels kapazitiver Sensoren.

[0047] Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers ist vorgesehen, dass das mindestens eine Detektionsmittel einen optischen Sensor umfasst und dass mindestens ein Lichtzuführmittel vorgesehen ist, wobei die mikromechanische Struktur vorzugsweise zwischen dem mindestens einen Lichtzuführmittel und dem optischen Sensor an-

geordnet ist.

[0048] Theoretisch wäre es denkbar, mit dem optischen Sensor die mikromechanische Struktur „direkt“ abzubilden, sofern diese groß genug ist bzw. der Sensor örtlich fein genug auflöst.

[0049] Geeignete optische Sensoren sind an sich bekannt. Denkbar wäre beispielsweise ein optischer Sensor auf Basis von mindestens einer Photodiode oder von mindestens einem Phototransistor.

[0050] Das mindestens eine Lichtzuführmittel ist vorgesehen, um eine definierte Beleuchtung der mikromechanischen Struktur sicherzustellen und so eine Detektion der Verformungen der mikromechanischen Struktur in der Achsenebene mittels des optischen Sensors zu ermöglichen. Das mindestens eine Lichtzuführmittel kann z.B. einen oder mehrere Lichtleiter umfassen und/oder ein Leuchtmittel, insbesondere eine oder mehrere Leuchtdioden.

[0051] Die mikromechanische Struktur muss nicht zwangsläufig zwischen dem mindestens einen Lichtzuführmittel und dem optischen Sensor angeordnet sein. Es wäre theoretisch z.B. auch eine Messung in Reflexionsgeometrie denkbar, bei der das mindestens eine Lichtzuführmittel und der optische Sensor bezogen auf die mikromechanische Struktur auf derselben Seite angeordnet sind.

[0052] Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur mindestens einen Abschnitt mit einer Blendenstruktur aufweist, mittels welcher auf die Achsenebene einfallendes Licht modulierbar ist. Das einfallende Licht kommt dabei insbesondere vom mindestens einen Lichtzuführmittel. Vorzugsweise fällt das einfallende Licht dabei normal auf die Achsenebene.

[0053] Unter der Modulation ist insbesondere eine räumliche Modulation zu verstehen.

[0054] Insbesondere wenn die mikromechanische Struktur zwischen dem mindestens einen Lichtzuführmittel und dem optischen Sensor angeordnet ist, bewirkt die Modulation, dass der optische Sensor das modulierte Licht detektiert. Verformungen der mikromechanischen Struktur bewirken eine Verschiebung und/oder Verkippung und/oder Verformung der mindestens einen Blendenstruktur, was wiederum im Allgemeinen eine Anderung der Lichtmodulation zur Folge hat. D.h. der optische Sensor detektiert entsprechend ein anders moduliertes Licht. Da die Geometrie der mikromechanischen Struktur mit der mindestens einen Blendenstruktur im Ruhezustand bekannt ist, kann über die Detektion der Anderung der Lichtmodulation auf die Verformung der mikromechanischen Struktur zurück geschlossen werden. Diese Art der Bestimmung der Verformungen der mikromechanischen Struktur, für die die Steuereinheit klarerweise ausgelegt sein kann, kann im Hinblick auf die Anforderungen an den optischen Sensor mitunter einfacher zu realisieren sein, als eine „direkte“ Abbildung der mikromechanischen Struktur.

[0055] Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers ist vorgesehen, dass eine, vorzugsweise am Rahmen befestigte, starre Blende vorgesehen ist, die über der mikromechanischen Struktur angeordnet ist und mittels welcher auf die Achsenebene einfallendes Licht modulierbar ist.

[0056] Das einfallende Licht kommt dabei insbesondere vom mindestens einen Lichtzuführmittel, wobei die starre Blende dann zwischen dem mindestens einen Lichtzuführmittel und der Achsenebene bzw. der mikromechanischen Struktur angeordnet ist. Vorzugsweise fällt das einfallende Licht dabei normal auf die Achsenebene.

[0057] Wiederum ist unter der Modulation insbesondere eine räumliche Modulation zu verstehen.

[0058] Vorzugsweise ist die starre Blende parallel zur Achsenebene bzw. zur mikromechanischen Struktur im Ruhezustand angeordnet.

[0059] Wenn die starre Blende zwischen der mikromechanische Struktur und dem mindestens einen Lichtzuführmittel angeordnet ist und die mikromechanische Struktur zwischen der starren Blende und dem optischen Sensor, kommt es grundsätzlich dazu, dass das Licht, das vom hinter der mikromechanischen Struktur angeordneten optischen Sensor detektiert wird, einerseits durch

die starre Blende und andererseits durch die Geometrie der mikromechanischen Struktur moduliert worden ist. Verformungen der mikromechanischen Struktur, bewirken dann wiederum Änderungen des detektierten modulierten Lichts. D.h. aufgrund der Anderungen des detektierten modulierten Lichts kann prinzipiell wiederum auf die Verformungen rückgeschlossen werden, analog zum oben Gesagten.

[0060] Wenn nun die mikromechanische Struktur selbst die mindestens eine Blendenstruktur bzw. den mindestens einen Abschnitt mit der Blendenstruktur aufweist, so kann die Empfindlichkeit bzw. Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers extrem gesteigert werden, sodass kleinste Verformungen in der Achsenebene detektiert werden können: Die konkrete Lichtmodulation, die vom optischen Sensor aufgenommen wird, hängt von der Verschiebung der starren Blende und der mindestens einen Blendenstruktur der mikromechanischen Struktur zueinander ab. Die Steuereinheit kann nun klarerweise derart ausgelegt sein, dass - bei bekannter mindestens einer Blendenstruktur und bekannter starrer Blende - aus den detektierten Lichtmodulationen die relativen Verschiebungen, Beschleunigungen sowie Verkippungen der starren Blende und der mindestens einen Blendenstruktur der mikromechanischen Struktur bzw. der mikromechanischen Struktur an sich bestimmt werden und daraus wiederum die Verformungen der mikromechanischen Struktur in der Achsenebene.

[0061] Besonders bevorzugt ist die starre Blende dabei kongruent zur mindestens einen Blendenstruktur der mikromechanischen Struktur im Ruhezustand, womit sich im Ruhezustand auf einfache Weise eine wohldefinierte Lichtmodulation am optischen Sensor einstellen lässt.

[0062] Es sei bemerkt, dass durch Vorsehung von mehreren Blendenstrukturen der mikromechanischen Struktur die erzielbare Genauigkeit der Bestimmung der Verformungen - und damit des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers - weiter gesteigert werden kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in mehreren, vorzugsweise in allen, Quadranten der mikromechanischen Struktur jeweils zumindest eine Blendenstruktur angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich besonders genau Symmetrien bzw. Abweichungen von Symmetrien der Verformungen detektieren.

[0063] Erfindungsgemäß ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers zur zerstörungsfreien Qualitätsüberprüfung von Bandstahl vorgesehen, insbesondere zur zerstörungsfreien Bestimmung der Streckgrenze und/oder Zugfestigkeit des Bandstahls.

[0064] Dabei kann das Stahlband unmittelbar nach dessen Erzeugung aufmagnetisiert und am erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometer vorbeigeführt werden. Aus den mit dem erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometer bestimmten Komponenten des Magnetfelds bzw. des Magnetfeldgradienten kann in an sich bekannter Weise die Streckgrenze und/oder die Zugfestigkeit des Bandstahls berechnet werden.

[0065] D.h. die Messung bzw. Qualitätsüberprüfung mit dem erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometer kann „inline“ und in Echtzeit erfolgen, wobei das erfindungsgemäße Gradientenmagnetometer vorteilhafterweise nur an einer Seite des Stahlbands positioniert werden muss. Die Messung kann hier praktisch im ersten Walzschritt nach der Herstellung des Stahls, der üblicherweise vom Stahlwerk durchgeführt wird, erfolgen, wenn das Stahlband für den Transport zu sogenannten coils aufgerollt wird.

[0066] Da gemäß dem oben Gesagten lediglich eine mikromechanische Struktur nötig ist, um selektiv Komponenten eines Magnetfelds bzw. eines Magnetfeldgradienten zu bestimmen, kann das erfindungsgemäße Gradientenmagnetometer deutlich platzsparender - und mit weit höherer Genauigkeit - als bisherige Sensoren eingesetzt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit des Einsatzes nicht nur bei der Herstellung des Bandstahls, sondern auch bei dessen Veredelung.

[0067] Typischerweise werden die Stahlbänder für den jeweiligen gewünschten Einsatz entsprechend weiterveredelt und nach dem zugehörigen Veredelungsschritt wieder zu coils aufgerollt, bevor sie in weitere Bauteile zerlegt werden (insbesondere in Platten). In jedem Prozessschritt können mittels des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers, wie oben geschildert, wieder die Materialkennwerte (insbesondere Streckgrenze und Zugfestigkeit) in Echtzeit und hochprä-

zise bestimmt werden. Entsprechend ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung vorgesehen, dass die Qualitätsüberprüfung bei der Herstellung und/oder bei der Veredelung des Bandstahls erfolgt.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0068] Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind beispielhaft und sollen den Erfindungsgedanken zwar darlegen, ihn aber keinesfalls einengen oder gar abschließend wiedergeben.

[0069] Dabei zeigt:

[0070] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Leiterschleife einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers bei einem magnetischen Gleichfeld

[0071] Fig. 2 eine schematische Darstellung analog zur Fig. 1, wobei ein magnetischer Feldgradient in x-Richtung vorliegt

[0072] Fig. 3 eine schematische Darstellung analog zur Fig. 1, wobei ein magnetischer Feldgradient in y-Richtung vorliegt

[0073] Fig. 4 eine schematische Darstellung analog zur Fig. 1, wobei ein magnetischer Feldgradient sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung vorliegt

[0074] Fig. 5 eine schematische detaillierte Darstellung einer mikromechanischen Struktur einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers in Aufsicht

[0075] Fig. 6 die mikromechanische Struktur aus Fig. 5 in einer schematischen axonometrischen Ansicht

[0076] Fig. 7 eine schematische detaillierte Darstellung der mikromechanischen Struktur einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers in Aufsicht

[0077] Fig. 8 ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers der dargestellten Ausführungsformen

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0078] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Leiterschleife 7 einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers 12. Bei der Leiterschleife 7 handelt es sich um eine offene Leiterschleife 7, die von einem Anfangsbereich 8 zu einem Endbereich 9 verläuft.

[0079] Die Leiterschleife 7 ist grundsätzlich an einer mikromechanischen Struktur 1 angeordnet und wird durch ein Leitmittel ausgebildet. Das Leitmittel kann beispielsweise durch eine Leiterbahn 5 auf der mikromechanischen Struktur 1 ausgebildet sein, vgl. z.B. Fig. 5, wo die Leiterbahn 5 strichliert eingezeichnet ist. Die mikromechanische Struktur 1 ist in einem Rahmen 18 angeordnet und an diesem befestigt, wobei sich die mikromechanische Struktur 1 in einem Ruhezustand 2 im Wesentlichen in einer Achsenebene 4, die durch eine erste Achse 10 und eine zweite Achse 11 aufgespannt ist, erstreckt. Die erste Achse 10 ist dabei parallel zu einer x-Richtung x und die zweite Achse 11 zu einer auf die x- Richtung x normal stehenden y-Richtung y, wobei eine zRichtung z normal auf die Achsenebene 4 und somit auch auf die Richtungen x, y steht.

[0080] Das Leitmittel bzw. die Leiterbahn 5 ist mit einer Wechselspannung bzw. einem Wechselstrom beaufschlagbar, um einen Wechselstrom i bzw. einen Stromfluss bewegter Ladungsträger zwischen dem Anfangsbereich 8 und dem Endbereich 9 zu erzeugen. Wenn sich die Leiterschleife 7 dabei in einem Magnetfeld befindet, kann es zur Wirkung der Lorentz-Kraft F_ auf zumindest Abschnitte der Leiterschleife 7 und damit auch auf zumindest Abschnitte der mikromechanischen Struktur 1 kommen. Hierdurch kann die mikromechanische Struktur 1 in einen ange-

regten Zustand 3 überführt werden, in dem die mikromechanische Struktur 1 unter elastischen Verformungen im Rahmen 18 schwingt.

[0081] In Fig. 1 ist die Achsenebene 4 die Zeichenebene. Die mikromechanische Struktur 1 samt Leiterbahn 5 sowie der Rahmen 18 sind in Fig. 1 sowie auch in Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 aus Klarheitsgründen nicht eingezeichnet. In Fig. 1 liegt lediglich ein magnetisches Gleichfeld mit einer zeitlich und örtlich konstanten magnetischen Flussdichte B, in z-Richtung z vor, jedoch kein Magnetfeldgradient. Der Wechselstrom i, dessen Verlauf über die Zeit t diagrammatisch ebenfalls in Fig. 1 dargestellt ist, hat eine zeitlich variierende Lorentz-Kraft F_ zur Folge, die ausschließlich in der Achsenebene 4 liegt. Die zeitliche Variation der Lorentz-Kraft F_ folgt dabei im Wesentlichen dem sinusförmigen Verlauf des Wechselstroms i.

[0082] Dabei wirkt die Lorentz-Kraft F_ an den kreisförmig angeordneten Punkten der Leiterschleife 7 radial und ist im Wesentlichen kreissymmetrisch verteilt. Entsprechend ergibt sich eine im Wesentlichen kreissymmetrisch verteilte effektiv auf die Leiterschleife 7 wirkende Kraft F, die an der Leiterschleife 7 angreift und für einen bestimmten Moment bzw. Zeitpunkt t0 in Fig. 1 durch die entsprechend gekennzeichneten Pfeile veranschaulicht ist. In diesem dargestellten Moment 10 ist die effektiv wirkende Kraft F an allen auf einen Kreis liegenden Punkten der Leiterschleife 7 radial nach außen gerichtet und im Wesentlichen gleich groß.

[0083] Entsprechend kommt es zu einer im Wesentlichen kreissymmetrischen elastischen Verformung der Leiterschleife 7. Die strichlierte kreisförmige Linie deutet die entsprechend kreisförmig elastisch verformte Leiterschleife 7 zu einem Zeitpunkt t1 > t0 an und die strichpunktierte kreisförmige Linie die ebenfalls kreisförmig elastisch verformte Leiterschleife 7 zu einem noch späteren Zeitpunkt t2 > t1.

[0084] In weiterer Folge nimmt die Größe der radial nach außen wirkenden Lorentz-Kraft Fi wieder ab und es kommt schließlich zu einer Umkehr, d.h. zu einer radial nach innen wirkenden Lorentz-Kraft F_. Diese hat eine im Wesentlichen kreisförmige Kontraktion der Leiterschleife 7 zur Folge (nicht dargestellt), bis ein Maximum des Absolutbetrags der radial nach innen wirkenden Lorentz-Kraft F_ erreicht ist, worauf es wieder zu einer elastischen Rückführung in den Ausgangszustand (wie bei t0, wenn die Lorentz-Kraft Fi = 0 ist) kommt und so weiter und so fort. D.h. die Leiterschleife 7 schwingt im Fall der Fig. 1 unter elastischen, im Wesentlichen kreisförmigen Verformungen. Die Frequenz der Schwingungen entspricht dabei im Wesentlichen der Frequenz des Wechselstroms i.

[0085] Das bedeutet aber, dass bei einer im Wesentlichen kreisförmigen Leiterschleife 7 und beobachteten kreisförmigen Verformungen geschlossen werden kann, dass eine konstante magnetische Flussdichte B, in z-Richtung vorhanden sein muss.

[0086] Bei Kenntnis des Stroms i sowie der elastischen Konstanten der Leiterschleife 7 bzw. des Leitmittels sowie der mikromechanischen Struktur 1 kann aus der Bestimmung der Größe der elastischen Verformungen auch der absolute Mittelwert von B7 bestimmt werden, wobei sich der Mittelwert auf die räumliche Ausdehnung der Leiterschleife 7 bzw. der mikromechanischen Struktur 1 bezieht.

[0087] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung völlig analog zu Fig. 1, wobei ein magnetischer Feldgradient von B-z in x- Richtung x vorliegt. D.h. die partielle Ableitung der magnetischen Flussdichte B; in x-Richtung x bzw. die Magnetfeldgradientenkomponente 0,B-, ist ungleich null. Diese Magnetfeldgradientenkomponente 0,B- ist in Fig. 2 vermerkt und mit einem länglichen Pfeil parallel zur x-Richtung x illustriert. Die Lorentz-Kraft F_ wirkt nun nicht mehr kreissymmetrisch, sondern an unterschiedlichen Punkten der Leiterschleife 7 unterschiedlich stark, wodurch sich die Leiterschleife 7 bzw. die mikromechanische Struktur 1 unterschiedlich stark verformt. Somit ergibt sich die effektiv wirkende Kraft F, wie sie in Fig. 2 mit den Pfeilen veranschaulicht ist, nämlich derart, dass zu den Zeitpunkten t1 und t2 eine elastische Verformung der Leiterschleife 7 in Form einer Elongation der Leiterschleife 7 entlang der ersten Achse 10 und einer Kontraktion parallel zur zweiten Achse 11 resultiert. Wiederum ist der Verlauf der verformten Leiterschleife 7 zum Zeitpunkt t1 durch die strichlierte elliptische Linie angedeutet und der Verlauf der verformten Lei-

terschleife 7 zu Zeitpunkt t2 durch die strichpunktierte elliptische Linie.

[0088] Dabei ist in Fig. 2 deutlich erkennbar, dass das Zentrum der verformten Leiterschleife 7 (bzw. der in Fig. 2 nicht dargestellten mikromechanischen Struktur 1) in der Achsenebene 4 im angeregten Zustand 3 gegenüber dem Ruhezustand 2 verschoben ist, nämlich entlang der ersten Achse 10 in x-Richtung x. Davon abgesehen ist eine Achsensymmetrie, insbesondere um die erste Achse 10, jedoch nach wie vor gegeben, wenngleich diese Symmetrie von jener des Ruhezustands 2 abweicht. Die Verschiebung ist das Resultat eines homogenen Gradientenfelds 0xB-(x,y). Im gezeigten Fall bedeutet das, dass die Magnetfeldgradientenkomponente 0,B-, in xRichtung x linear in einem Bereich der Achsenebene 4 variiert, der von der Leiterschleife 7 bzw. der mikromechanischen Struktur 1 abgedeckt wird. Bei einer nichtlinearen Variation, also einem inhomogenen Gradientenfeld ö,B-(x,y), würde es hingegen zu einer stark asymmetrisch verformten Leiterschleife 7 bzw. mikromechanischen Struktur 1 kommen.

[0089] Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung völlig analog zu Fig. 2, wobei der magnetische Feldgradient von B- nur in y-Richtung y vorliegt. D.h. die partielle Ableitung der magnetischen Flussdichte B- in y-Richtung y bzw. die Magnetfeldgradientenkomponente ö,B- ist ungleich null. Diese Magnetfeldgradientenkomponente ö,B-, ist in Fig. 3 vermerkt und mit einem länglichen Pfeil parallel zur y-Richtung y illustriert. Die Lorentz-Kraft F_ wirkt wiederum nicht mehr kreissymmetrisch, sondern an unterschiedlichen Punkten der Leiterschleife 7 unterschiedlich stark, wodurch sich die Leiterschleife 7 bzw. die mikromechanische Struktur 1 unterschiedlich stark verformt. Somit ergibt sich die effektiv wirkende Kraft F, wie sie in Fig. 3 mit den Pfeilen veranschaulicht ist, nämlich derart, dass zu den Zeitpunkten t1 und t2 eine elastische Verformung der Leiterschleife 7 in Form einer Elongation der Leiterschleife 7 entlang der zweiten Achse 11 und einer Kontraktion parallel zur ersten Achse 10 resultiert. Wiederum ist der Verlauf der verformten Leiterschleife 7 zum Zeitpunkt t1 durch die strichlierte elliptische Linie angedeutet und der Verlauf der verformten Leiterschleife 7 zu Zeitpunkt t2 durch die strichpunktierte elliptische Linie.

[0090] Ähnlich wie in Fig. 2 ist auch in Fig. 3 deutlich erkennbar, dass das Zentrum der verformten Leiterschleife 7 (bzw. der in Fig. 3 nicht dargestellten mikromechanischen Struktur 1) in der Achsenebene 4 im angeregten Zustand 3 gegenüber dem Ruhezustand 2 verschoben ist, nämlich entlang der zweiten Achse 11 in y-Richtung y. Davon abgesehen ist eine Achsensymmetrie, insbesondere um die zweite Achse 11, jedoch nach wie vor gegeben, wenngleich diese Symmetrie von jener des Ruhezustands 2 abweicht. Die Verschiebung ist das Resultat eines homogenen Gradientenfelds ö,B-(x,y). Im gezeigten Fall bedeutet das, dass die Magnetfeldgradientenkomponente ö,B- in y-Richtung y linear in einem Bereich der Achsenebene 4 variiert, der von der Leiterschleife 7 bzw. der mikromechanischen Struktur 1 abgedeckt wird. Bei einer nichtlinearen Variation, also einem inhomogenen Gradientenfeld ö,B,(x,y), würde es hingegen zu einer stark asymmetrisch verformten Leiterschleife 7 bzw. mikromechanischen Struktur 1 kommen.

[0091] Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung analog zu Fig. 2 und Fig. 3, wobei die Magnetfeldgradientenkomponente 0,B; und die Magnetfeldgradientenkomponente 3,B; ungleich null und gleich groß sind. Die Lorentz-Kraft FL wirkt jedoch wiederum nicht kreissymmetrisch, sondern an unterschiedlichen Punkten der Leiterschleife 7 unterschiedlich stark, wodurch sich die Leiterschleife 7 bzw. die mikromechanische Struktur 1 unterschiedlich stark verformt. Somit ergibt sich die effektiv wirkende Kraft F, wie sie in Fig. 4 mit den Pfeilen veranschaulicht ist, nämlich derart, dass zu den Zeitpunkten t1 und t2 eine elastische Verformung der Leiterschleife 7 in Form einer Elongation der Leiterschleife 7 entlang einer ersten Diagonalen 21 zwischen den Achsen 10, 11 und einer Kontraktion parallel zu einer zweiten Diagonalen 22 zwischen den Achse 10, 11 resultiert, wobei die Diagonalen 21, 22 normal aufeinander stehen. Wiederum ist der Verlauf der verformten Leiterschleife 7 zum Zeitpunkt t1 durch die strichlierte elliptische Linie angedeutet und der Verlauf der verformten Leiterschleife 7 zu Zeitpunkt t2 durch die strichpunktierte elliptische Linie.

[0092] Ähnlich wie in Fig. 2 und Fig. 3 ist auch in Fig. 4 deutlich erkennbar, dass das Zentrum der verformten Leiterschleife 7 (bzw. der in Fig. 4 nicht dargestellten mikromechanischen Struktur 1) in der Achsenebene 4 im angeregten Zustand 3 gegenüber dem Ruhezustand 2 verschoben

ist, nämlich entlang der ersten Diagonale 21, also sowohl in x-Richtung x als auch in y-Richtung y. Davon abgesehen ist eine Achsensymmetrie, insbesondere um die erste Diagonale Achse 21, jedoch nach wie vor gegeben, wenngleich diese Symmetrie von jener des Ruhezustands 2 abweicht. Die Verschiebung ist das Resultat von homogenen Gradientenfeldern ö,B,(x,y) öyB-(x,y). Im gezeigten Fall bedeutet das, dass die Magnetfeldgradientenkomponente 0,B- in x-Richtung x und die Magnetfeldgradientenkomponente ö,B- in y-Richtung y linear in einem Bereich der Achsenebene 4 variieren, der von der Leiterschleife 7 bzw. der mikromechanischen Struktur 1 abgedeckt wird. Bei einer nichtlinearen Variation, also inhomogenen Gradientenfeldern ö-B,(x,y) und Ö,B-(x,y), würde es hingegen zu einer stark asymmetrisch verformten Leiterschleife 7 bzw. mikromechanischen Struktur 1 kommen.

[0093] Zu Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 kann zusammenfassend festgehalten werden, dass aus der fehlenden Kreissymmetrie der Verformungen der Leiterschleife 7 unmittelbar auf das Vorhandensein der Magnetfeldgradientenkomponente ö,B- und/oder ö,Bz geschlossen werden kann. Bei Kenntnis des Stroms i sowie der elastischen Konstanten der Leiterschleife 7 bzw. des Leitmittels sowie der mikromechanischen Struktur 1 kann aus der Bestimmung der Größe der elastischen Verformungen auch der Absolutwert von 0,B; und/oder ö,B; und/oder der absolute Mittelwert von B, (bezogen auf die räumliche Ausdehnung der Leiterschleife 7 bzw. der mikromechanischen Struktur 1) bestimmt werden.

[0094] Dieses Prinzip lässt sich natürlich auf praktisch beliebige Geometrien der Leiterschleife 7 in der Achsenebene 4 verallgemeinern. D.h. für das einwandfreie Funktionieren des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers 12 genügt es, die genaue Geometrie der Leiterschleife 7 und vorzugsweise der mikromechanischen Struktur 1 - in der Achsenebene 4 im Ruhezustand 2 zu kennen, um aus den ermittelten elastischen Verformungen der mikromechanischen Struktur 1 bzw. der Leiterschleife 7 im angeregten Zustand 3 die Größe der Flussdichtekomponente B; bzw. der Magnetfeldgradientenkomponenten 0,B-,, ö,B- bestimmen zu können.

[0095] Darüberhinaus kann, wie oben anhand von Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 ausgeführt, aus den Verformungen der Leiterschleife 7 bzw. der mikromechanischen Struktur 1 auch geschlossen werden, ob ein homogenes oder inhomogenes Gradientenfeld ö,B,(x,y) bzw. ö,B-(x,y) vorliegt. In gewisser Weise findet somit durch die Leiterschleife 7 bzw. die mikromechanische Struktur 1 eine mechanische Abbildung des Gradientenfelds ö,B.-(x,y) bzw. ö,B-(x,y) statt.

[0096] Fig. 5 zeigt entsprechend eine schematische detaillierte Darstellung einer mikromechanischen Struktur 1 einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers 12. Die mikromechanische Struktur 1 ist dabei nicht kreissymmetrisch, sondern besteht aus vier Quadranten bzw. Teilabschnitten 20 mit jeweils annähernd quadratischer Grundfläche. Jeder der vier Teilabschnitt 20 ist an einem Eck über ein federndes Element 23 an einem Aufhängungsbereich 6a-d des Rahmens 18 befestigt. Die Aufhängung mittels der federnden Elemente 23 begünstigt die Möglichkeit für elastische Verformungen der mikromechanischen Struktur 1 und erhöht somit die Empfindlichkeit bzw. Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers 12.

[0097] Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die mikromechanische Struktur 1 und die federnden Elemente 23 einstückig ausgeführt, wobei die federnden Elemente 23 als dünne/ schmale, mäanderförmig verlaufende Stege ausgebildet sind, was deren elastische Verformbarkeit stark begünstigt und die federnde Funktion bewirkt.

[0098] Vorzugsweise ist die mikromechanische Struktur 1 im gezeigten Ausführungsbeispiel auBerdem einstückig mit dem Rahmen 18 (in Fig. 5 nicht dargestellt; vgl. Fig. 8) gefertigt, typischerweise aus, vorzugsweise einkristallinem, Silizium. Dies ermöglicht die Herstellung auf Basis eines Silizium-Wafers oder Silicon-On-Insulator (SOl)-Wafers in an sich bekannter Weise.

[0099] Teilabschnitte 20 sind untereinander über mäanderförmige Abschnitte 19 der mikromechanischen Struktur 1 verbunden. Wie in Fig. 5 ersichtlich ist, ist die mikromechanische Struktur 1 in den mäanderförmigen Abschnitten 19 relativ dünn/schmal ausgeführt, sodass die mäanderförmigen Abschnitte als elastische, federnde Elemente bzw. Abschnitte fungieren und sich die

Teilabschnitte 20 relativ zueinander somit relativ leicht bewegen lassen. D.h. die elastischen Verformungen der mikromechanischen Struktur 1 können durch die Bewegungen der Teilabschnitte 20 relativ zueinander zumindest teilweise bewirkt werden. Wiederum wird damit die Möglichkeit für elastische Verformungen der mikromechanischen Struktur 1 begünstigt und erhöht sich somit die Empfindlichkeit bzw. Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers 12.

[00100] Das die offene Leiterschleife 7 ausbildende Leitmittel ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 als Leiterbahn 5, vorzugsweise aus Gold, auf der mikromechanischen Struktur 1 ausgebildet.

[00101] Auf der mikromechanischen Struktur 1 verläuft die Leiterschleife 7 vom Anfangsbereich 8 zum Endbereich 9, welche Bereiche 8, 9 jeweils an das federnde Element 23 im Bereich des Aufhängungsbereichs 6a anschließen. Die Leiterbahn 5 setzt sich außerdem auf dem federnden Element 23, welches an den Aufhängungsbereich 6a anschließt, zum Rahmen 18 hin fort. Dies ermöglicht eine bequeme elektrische Kontaktierung der Leiterbahn 5 bzw. der Leiterschleife 7 auf Seite des Rahmens 18.

[00102] Der Verlauf der Leiterschleife 7 auf der mikromechanischen Struktur 1 folgt deren Umfangslinie und bildet entsprechend ein Polygon. Im Bereich der mäanderförmigen Abschnitte 19 ist der Verlauf der Leiterbahn 5 bzw. der Leiterschleife 7 entsprechend ebenfalls mäanderförmig. Entsprechend wechselt in den mäanderförmigen Abschnitten 19 die „Krümmung“ des Verlaufs der Leiterschleife 7 in der Ebene 4 das Vorzeichen (obgleich streng mathematisch aufgrund der geradlinigen Teilabschnitte des Verlaufs der Leiterschleife 7 die Krümmung in jedem Teilabschnitt natürlich gleich null ist).

[00103] Zur Detektion bzw. Bestimmung der elastischen Verformungen der mikromechanischen Struktur 1 in der Achsenebene 4 ist mindestens ein Detektionsmittel vorgesehen. In den dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst das mindestens eine Detektionsmittel einen optischen Sensor 14 (vgl. Fig. 8), der beispielsweise auf mindestens einer Photodiode oder mindestens einem Phototransistor basiert.

[00104] Weiters ist eine Steuereinheit 16 (vgl. Fig. 8) vorgesehen, die mit dem mindestens einen Detektionsmittel bzw. dem optischen Sensor 14 verbunden ist und derart ausgelegt ist, dass die Magnetfeld- bzw. Flussdichtekomponente B-; in z-Richtung z und/oder die zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente 0,B- in x-Richtung x und/oder die zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente ö,B- in y-Richtung y anhand der detektierten Verformungen in der Achsenebene 4 bestimmt werden.

[00105] Fig. 8 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers 12, wie es bei den gezeigten Ausführungsbeispielen vorgesehen sein kann. In Fig. 8 ist die mikromechanische Struktur 1 zwischen dem optischen Sensor 14 und einem Lichtzuführmittel in Form mindestens einer Leuchtdiode 13 angeordnet, welche eine definierte Beleuchtung der mikromechanischen Struktur 1 sicherstellt und so eine zuverlässige Detektion der Verformungen der mikromechanischen Struktur 1 in der Achsenebene 4 mittels des optischen Sensors 14 ermöglicht.

[00106] Wie in Fig. 8 durch die punktierte Linie angedeutet ist, kann die Steuereinheit 16 mit der Leuchtdiode 13 verbunden sein, um diese gezielt ansteuern zu können. Beispielsweise kann somit über die Steuereinheit 16 die Leuchtdiode 13 ein- oder ausgeschaltet werden oder es kann z.B. deren Leuchtkraft je nach Bedarf angepasst werden.

[00107] Die strichlierte Linie in Fig. 8 deutet an, dass auch eine (elektrische) Verbindung der Steuereinheit 16 mit der mikromechanischen Struktur 1, genauer mit dem Leitmittel / der Leiterbahn 5 auf bzw. der Leiterschleife 7 an der mikromechanischen Struktur 1 vorhanden sein kann. Somit kann mittels der Steuereinheit 16 ggf. die Beaufschlagung der Leiterschleife 7 mit dem Wechselstrom i kontrolliert werden.

[00108] Gemäß Fig. 8 ist bei den gezeigten Ausführungsformen zur Detektion der Verformungen der mikromechanischen Struktur 1 nicht nur der optische Sensor 14 allein vorgesehen, sondern

auch eine starre Blende 17, die mit dem Rahmen 18 fest verbunden ist. Die starre Blende 17 moduliert das von der Leuchtdiode 13 abgestrahlte und auf die Achsenebene 4 bzw. auf die mikromechanische Struktur 1 auftreffende Licht räumlich. Die mikromechanische Struktur 1 wiederum weist bei den dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers 12 zumindest einen Abschnitt mit einer Blendenstruktur 15 auf, welche das von der Leuchtdiode 13 abgestrahlte Licht grundsätzlich ebenfalls räumlich moduliert, bevor es vom optischen Sensor 14 detektiert wird. Insgesamt ergibt sich also bei den dargestellten Ausführungsformen, dass vom optischen Sensor 14 Licht detektiert wird, dass durch die starre Blende 17 und durch die mindestens eine Blendenstruktur 15 der mikromechanischen Struktur 1 moduliert wird. Kleinste Verschiebungen der mindestens einen Blendenstruktur 15 bewirken entsprechend starke Anderungen der Lichtmodulation, die vom optischen Sensor 14 aufgenommen wird. Da die Geometrien der mindestens einen Blendenstruktur 15 und der starren Blende 17 bekannt sind, kann äußerst präzise auf die relativen Verschiebungen, Beschleunigungen sowie Verkippungen der starren Blende 17 und der mindestens einen Blendenstruktur 15 der mikromechanischen Struktur 1 bzw. der mikromechanischen Struktur 1 an sich geschlossen werden und daraus wiederum auf die Verformungen der mikromechanischen Struktur 1 in der Achsenebene 4. Die Steuereinheit 16 ist für diese Auswertung entsprechend ausgelegt.

[00109] Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 weist die mikromechanische Struktur 1 genau einen Abschnitt mit einer Blendenstruktur 15 auf. Die Blendenstruktur 15 besteht dabei aus einer Anordnung von quadratischen Durchbrüchen in jenem Teilabschnitt 20, der unter Zwischenschaltung eines der federnden Element 23 an den Aufhängungsbereich 6a anschließt. Die starre Blende 17 kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass sie grundsätzlich kongruent zur Blendenstruktur 15 im Ruhezustand 2 ist und dass im Ruhezustand 2 in z-Richtung z gesehen exakte Deckungsgleichheit mit der Blendenstruktur 15 besteht.

[00110] Es sei betont, dass prinzipiell Blendenstrukturen 15 auch in mehreren Teilabschnitten 20 möglich sind und dass die geometrische Ausführung der mindestens einen Blendenstruktur 15 nicht auf quadratische Durchbrüche beschränkt ist, sondern unterschiedlichste Geometrien aufweisen kann. Analoges gilt natürlich auch für die starre Blende 17.

[00111] Fig. 6 zeigt eine dreidimensionale Veranschaulichung der mikromechanischen Struktur 1 aus Fig. 5, aus der auch die geschilderte Blendenstruktur 15 klar hervorgeht. In Fig. 6 ist weiters besonders klar erkennbar, dass die Erstreckung der mikromechanischen Struktur 1 in z-Richtung z grundsätzlich deutlich kleiner ist als in den Richtungen x, y. Typische Abmessungen in den Richtungen x, y sind von 0,1 mm bis 5 mm und in z-Richtung z von 0,01 mm bis 0,2 mm.

[00112] Fig. 7 zeigt schließlich eine detaillierte Darstellung der mikromechanischen Struktur 1 einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers 12, wobei die Geometrie der mikromechanischen Struktur 1 bzw. der Leiterschleife 7 noch stärker als bei der zweiten Ausführungsform von der Kreissymmetrie abweicht. Konkret weist die mikromechanische Struktur 1 in Fig. 8 gegenüber den anderen gezeigten Ausführungsbeispielen eine komplexere Geometrie mit vier Teilabschnitten 20 auf, wobei die Teilabschnitte 20 jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Grundfläche haben.

[00113] Wiederum ist jeder Teilabschnitt 20 an einem Aufhängungsbereich 6a-d über ein federndes Element 23 befestigt. Die federnden Elemente 23 weisen dabei eine im Wesentlichen Lförmige Gestalt auf, was als Grenzfall einer mäanderförmigen Struktur aufgefasst werden kann, und sind einstückig mit der mikromechanischen Struktur 1 ausgebildet.

[00114] Die Teilabschnitte 20 sind untereinander über mäanderförmige Abschnitte 19 miteinander verbunden, analog zur zweiten Ausführungsform, sodass eine relativ hohe Beweglichkeit der Teilabschnitte 20 zueinander resultiert, was wiederum die elastische Verformbarkeit der mikromechanischen Struktur 1 begünstigt und zur Empfindlichkeit des Gradientenmagnetometers 12 beiträgt.

[00115] Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die mäanderförmigen Abschnitte 19, durch die die erste Achse 10 verläuft, am Rahmen 18 fixiert, um eine Rotation der einzelnen Teilab-

schnitte 20, insbesondere um die Achsen 10, 11, zu verhindern. Besagte Fixierung der mäanderförmigen Abschnitte 19 ist jedoch nicht zwingend notwendig und kann insbesondere in Abhängigkeit von der geplanten Applikation vorgesehen sein.

[00116] Die Leiterbahn 5, die auch in Fig. 7 durch eine strichlierte Linie symbolisiert ist, verläuft nicht entlang der äußersten Kontur der mikromechanischen Struktur 1, sondern teilweise auch innerhalb der Teilabschnitte 20, wobei eine große Gestaltungsfreiheit für den Verlauf ausgenutzt wird.

[00117] Wie bei der zweiten Ausführungsform ist auch bei der dritten Ausführungsform eine Blendenstruktur 15 vorgesehen, die auf einem Teilabschnitt 20, nämlich jenem, der an den Aufhängungsbereich 6a unter Zwischenschaltung eines der federnden Elemente 23 anschließt, angeordnet ist. Auch in diesem Fall besteht die Blendenstruktur 15 aus einer Anordnung von quadratischen Durchbrüchen.

[00118] Dabei kann die starre Blende 17 wiederum beispielsweise so ausgebildet sein, dass sie grundsätzlich kongruent zur Blendenstrukturen 15 im Ruhezustand 2 ist und dass im Ruhezustand 2 in z-Richtung z gesehen exakte Deckungsgleichheit mit der Blendenstruktur 15 besteht.

[00119] Wie oben bei der Beschreibung von Fig. 5 bereits festgehalten, existiert prinzipiell eine große Gestaltungsfreiheit für die Geometrie der Blendenstruktur 15, und es können auch mehrere Blendenstrukturen 15 vorgesehen sein. Analoges gilt auch in diesem Fall für die starre Blende 17.

[00120] Aus der Anordnung mehrerer Blendenstrukturen 15 resultiert jedenfalls eine besonders präzise Bestimmung der elastischen Verformungen der mikromechanischen Struktur 1 und damit eine besonders hohe Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Gradientenmagnetometers 12, wobei die Auslegung der Steuereinheit 16 für die Auswertung entsprechend angepasst ist.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Mikromechanische Struktur

2 Ruhezustand

3 Angeregter Zustand

4 Achsenebene

5 Leiterbahn

6a, 6b, 6c, 6d Aufhängungsbereich

7 Leiterschleife

8 Anfangsbereich der Leiterschleife auf der

mikromechanischen Struktur

9 Endbereich der Leiterschleife auf der mikromechanischen Struktur

10 Erste Achse

11 Zweite Achse

12 Gradientenmagnetometer

13 Leuchtdiode

14 Optischer Sensor

15 Blendenstruktur der mikromechanischen Struktur

16 Steuereinheit

17 Starre Blende

18 Rahmen

19 Mäanderförmiger/federnder Abschnitt der mikromechanischen Struktur

20 Teilabschnitt der mikromechanischen Struktur

21 Erste Diagonale

22 Zweite Diagonale

23 Federndes Element

X x-Richtung

y y-Richtung

zZ z-Richtung

B- Magnetische Flussdichte in z-Richtung

0,Bz Magnetfeldgradientenkomponente in x-Richtung

ÖyBz Magnetfeldgradientenkomponente in y-Richtung

FL Lorentz-Kraft

i Wechselstrom

t Zeit

F effektiv wirkende Kraft

tO, t1, 12 Zeitpunkt

Claims

Patentansprüche

1. Gradientenmagnetometer (12) umfassend einen Rahmen (18) sowie eine im Rahmen (18) angeordnete und an diesem befestigte mikromechanische Struktur (1), wobei sich die mikromechanische Struktur (1) in einem Ruhezustand (2) im Wesentlichen in einer Achsenebene (4), die durch eine erste Achse (10) und eine zweite Achse (11) aufgespannt ist, erstreckt, wobei die erste Achse (10) parallel zu einer x-Richtung (x) ist und die zweite Achse (11) parallel zu einer auf die x-Richtung normal stehenden y-Richtung (y) und wobei eine zRichtung (z) normal auf die Achsenebene (4) steht, wobei ein Leitmittel (5) vorgesehen ist, das an der mikromechanischen Struktur (1) angeordnet und mit dieser verbunden ist und eine offene Leiterschleife (7) ausbildet, wobei das Leitmittel (5) mit einem Wechselstrom (i) beaufschlagbar ist, um unter Ausnutzung der Lorentz-Kraft (Fi) die mikromechanische Struktur (1) in einen angeregten Zustand (3) überzuführen, wenn sich die mikromechanische Struktur (1) in einem Magnetfeld befindet, wobei die mikromechanische Struktur (1) im angeregten Zustand (3) unter elastischen Verformungen im Rahmen (18) schwingt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gradientenmagnetometer (12) mindestens ein Detektionsmittel (14) umfasst, um die Verformungen der mikromechanischen Struktur (1) in der Achsenebene (4) zu bestimmen, und dass das Gradientenmagnetometer (12) eine mit dem mindestens einen Detektionsmittel (14) verbundene Steuereinheit (16) umfasst, wobei die Steuereinheit (16) derart ausgelegt ist, dass eine zu einer Magnetfeldkomponente (B-,) in z-Richtung (z) zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente (0,B-) in x-Richtung (x) und/oder eine zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente (ö,B,) in y-Richtung (y) anhand der detektierten Verformungen in der Achsenebene (4) bestimmt werden.

2. Gradientenmagnetometer (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (1) an Aufhängungsbereichen (6a-d) des Rahmens (18) befestigt ist, wobei die Leiterschleife (7) von einem der Aufhängungsbereiche (6a-d) zu diesem wieder zurück verläuft.

3. Gradientenmagnetometer (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (1) mittels federnder Elemente (23) am Rahmen (18) befestigt ist, wobei die federnden Elemente (23) und die mikromechanische Struktur (1) vorzugsweise einstückig gefertigt sind.

4. Gradientenmagnetometer (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (1) und der Rahmen (18) einstückig gefertigt sind.

5. Gradientenmagnetometer (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleife (7) in der Achsenebene (4) im Wesentlichen achsensymmetrisch, vorzugsweise kreisförmig, verläuft und dass die Steuereinheit (16) derart ausgelegt ist, dass die zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente (0,B-,) in x- Richtung (x) und/oder die zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente (ö,B-) in y-Richtung (y) anhand von von dieser Symmetrie abweichenden Verformungen in der Achsenebene (4) bestimmt werden.

6. Gradientenmagnetometer (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte des Verlaufs der Leiterschleife (7) in der Achsenebene (4) unterschiedliche Krümmungen, vorzugsweise Krümmungen mit unterschiedlichem Vorzeichen, aufweisen.

7. Gradientenmagnetometer (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleife (7) in der Achsenebene (4) abschnittsweise geradlinig verläuft.

8. Gradientenmagnetometer (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleife (7) in der Achsenebene (4) entlang eines Polygons verläuft.

9. Gradientenmagnetometer (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (1) in der Achsenebene (4) zentrosymmetrisch oder spiegelsymmetrisch zur ersten Achse (10) und/oder zur zweiten Achse (11) ist.

10. Gradientenmagnetometer (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Detektionsmittel einen optischen Sensor (14) umfasst und dass mindestens ein Lichtzuführmittel (13) vorgesehen ist, wobei die mikromechanische Struktur (1) vorzugsweise zwischen dem mindestens einen Lichtzuführmittel (13) und dem optischen Sensor (14) angeordnet ist.

11. Gradientenmagnetometer (12) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (1) mindestens einen Abschnitt mit einer Blendenstruktur (15) aufweist, mittels welcher auf die Achsenebene (4) einfallendes Licht modulierbar ist.

12. Gradientenmagnetometer (12) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine, vorzugsweise am Rahmen (18) befestigte, starre Blende (17) vorgesehen ist, die über der mikromechanischen Struktur (1) angeordnet ist und mittels welcher auf die Achsenebene (4) einfallendes Licht modulierbar ist.

13. Gradientenmagnetometer (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) derart ausgelegt ist, dass anhand der detektierten Verformungen in der Achsenebene (4) bestimmt wird, ob die zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente (0,B-,) in x- Richtung (x) und/oder die zugehörige Magnetfeldgradientenkomponente (ö,B,) in y-Richtung (y) linear oder nichtlinear in einem von der mikromechanischen Struktur (1) abgedeckten Bereich der Achsenebene (4) variiert.

14. Verwendung eines Gradientenmagnetometers nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur zerstörungsfreien Qualitätsüberprüfung von Bandstahl, insbesondere zur zerstörungsfreien Bestimmung der Streckgrenze und/oder Zugfestigkeit des Bandstahls.

15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualitätsüberprüfung bei der Herstellung und/oder bei der Veredelung des Bandstahls erfolgt.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen