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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Leitfähigkeitssensor
zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen
Mediums.
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Induktive
Leitfähigkeitssensoren zum Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit
eines Mediums umfassen im Wesentlichen zwei vom Medium umgebene
Ringspulen, die eine durchgehende Öffnung für
das Medium umschließen. Die erste Ringspule dient als Erregerspule,
die zweite Ringspule als Empfängerspule. Durch Induktion
bildet sich im Medium ein Strompfad aus, der die Erregerspule und
die Empfängerspule durchsetzt. Der Strompfad bildet hierbei
eine im Wesentlichen ringförmig geschlossene elektrisch
leitende Strecke, deren Leitwert durch die Leitfähigkeit
des zu untersuchenden Mediums bestimmt ist. Um die Leitfähigkeit
zu messen, wird die Ringspulenanordnung daher so weit in das Medium eingeführt,
dass sich ein Strompfad um die Erregerspule und die Empfängerspule
herum ausbilden kann. Wenn die Erregerspule mit einem Wechselspannungssignal
beaufschlagt wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, das in dem Strompfad
einen Strom induziert, dessen Größe von der elektrischen
Leitfähigkeit des Mediums abhängig, im Idealfall
zu der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums proportional,
ist. Dieser Strom, der ebenfalls ein Wechselstrom ist, wird induktiv
mit der Empfängerspule gemessen. Der von der Empfängerspule
als Ausgabesignal gelieferte Wechselstrom bzw. eine entsprechende
von der Empfängerspule gelieferte Wechselspannung ist somit
ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit
des zu untersuchenden Mediums und dient als Messsignal des induktiven
Leitfähigkeitssensors.
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Zur
Beaufschlagung der Erregerspule mit einem solchen Wechselspannungssignal
umfasst ein induktiver Leitfähigkeitssensor eine mit der
Erregerspulespule elektrisch verbundene Sendeeinrichtung zum Speisen
der Spule mit einer Wechselspannung und eine mit der Empfängerspule
elektrisch verbundene Empfangseinrichtung zur Weiterleitung des Ausgabesignals
der Empfängerspule als Messsignal an die Messelektronik
des Leitfähigkeitssensors. Die Messelektronik digitalisiert
das Messsignal gegebenenfalls und ermittelt mittels eines Mikrocontrollers aus
dem Messsignal einen Leitfähigkeitsmesswert. Das Messsignal
oder der Leitfähigkeitsmesswert kann an eine übergeordnete
Einheit weitergegeben und/oder über eine Anzeigeeinheit
ausgegeben werden.
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In
DE 10 2006 025 194
A1 ist ein induktiver Leitfähigkeitssensor beschrieben,
der in eine mehrlagige Leiterkarte integriert ist. Dieser Leitfähigkeitssensor
umfasst zwei in der Leiterkarte integrierte Ringspulen, deren Windungen
durch eine Vielzahl erster Leiterabschnitte, die in einer ersten
Ebene der Leiterkarte verlaufen, eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte,
die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte verlaufen, und eine Vielzahl
von Durchkontaktierungen, welche die ersten Leiterabschnitte mit
den zweiten Leiterabschnitten verbinden, gebildet werden. In einer
Ausführungsform umfassen die Ringspulen einen Ringkern,
der in einer entsprechenden Aussparung in der Leiterkarte zwischen
der ersten und der zweiten Ebene, in denen die die Spulenwicklung
bildenden Leiterbahnabschnitte verlaufen, angeordnet ist.
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Eine
mehrlagige Leiterkarte umfasst mehrere schichtweise in einer Stapelrichtung übereinander gestapelte
Ebenen oder Lagen, in denen Leiterbahnen oder Leiterabschnitte oder
sonstige Bauteile angeordnet sein können.
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Ein
Vorteil dieser Art von Leitfähigkeitssensoren liegt darin,
dass sie eine besonders geringe axiale Baulänge aufweisen.
Weiterhin ermöglicht ein derartiger Spulenaufbau eine vereinfachte
automatisierte Fertigung, die auf etablierten Verfahren der Leiterkartenherstellung
basiert.
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Die
Fertigung eines derartigen Leitfähigkeitssensors mittels
bekannter Techniken der Leiterkartenfertigung umfasst auch Laminierschritte
bei hohen Temperaturen in der Größenordnung von
250°C. Ein herkömmlicher massiver Ferritkern erleidet
bei der Fertigung, insbesondere bei den Laminierschritten, Schädigungen
in Form von Rissen und Brüchen. Alternative Kernmaterialien
sind Materialien auf metallischer Basis. Diese Materialien weisen
jedoch eine elektrische Leitfähigkeit auf, was dazu führt,
dass in einem massiven Spulenkern aus einem solchen Material die
magnetische Flussdichte innerhalb des Kerns aufgrund der Ausbildung
von Wirbelströmen stark reduziert ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen in
eine mehrlagige Leiterkarte integrierten induktiven Leitfähigkeitssensor
bereitzustellen, der die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Insbesondere soll ein in eine mehrlagige Leiterkarte integrierter
induktiver Leitfähigkeitssensor mit mindestens einer Ringkernspule
angegeben werden, bei dem die Ausbildung von Wirbelströmen
innerhalb des Kerns reduziert ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen induktiven Leitfähigkeitssensor
zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen
Mediums, umfassend
eine erste Ringspule, welche eine mit dem
Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum
Induzieren eines Stroms in dem Medium,
und eine zweite Ringspule,
welche die durchgehende Öffnung umschließt, zum
Erfassen eines durch den Strom erzeugten Magnetfelds,
wobei
mindestens eine der Ringspulen eine Vielzahl erster Leiterabschnitte
aufweist, die in einer ersten Ebene einer mehrlagigen Leiterkarte
verlaufen, und eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte, die in einer zweiten
Ebene der Leiterkarte verlaufen, und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen,
welche die ersten Leiterabschnitte mit den zweiten Leiterabschnitten
verbinden, wobei die ersten Leiterabschnitte, die zweiten Leiterabschnitte
und die Durchkontaktierungen zusammen die Windungen der mindestens
einen Ringspule ausbilden,
und die mindestens eine Ringspule
weiterhin einen Ringkern aufweist, welcher zwei oder mehr Kernmaterial-Lagen
umfasst, wobei die Kernmaterial-Lagen jeweils durch mindestens eine
elektrisch isolierende Zwischenschicht gegeneinander elektrisch
isoliert sind.
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Der
Begriff „Ringspule” bzw. „Ringkern” bezeichnet
hier und im Folgenden eine Spule bzw. einen Spulenkern mit einem
in sich geschlossenen magnetischen Pfad. Der magnetische Pfad muss
in sich geschlossen oder zumindest durch Luftspalte überbrückt
verlaufen. Auf die Gestalt des ringförmigen Verlaufs kommt
es dabei nicht an. Ein Kreisring ist die einfachste Form, gleichermaßen
sind aber auch beliebige andere Formen denkbar, wie beispielsweise Ellipsen,
Rechtecke oder andere Polygone. Eine derartige Ringspule weist eine
zentrale Achse auf, die im Fall einer Kreisringspule eine Rotationssymmetrieachse
ist. Falls die Ringspule oder der Ringkern keine Zylindersymmetrie
aufweist, sondern beispielsweise als Ellipse oder als Polygon ausgestaltet
ist, verläuft die zentrale Achse beispielsweise durch den Mittelpunkt
des Polygons bzw. durch einen zentralen, zwischen den Ellipsenbrennpunkten
lokalisierten Punkt innerhalb der Ellipse.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Ringkern eine Vielzahl
von einzelnen Kernmaterial-Lagen, die jeweils durch elektrisch isolierende Zwischenschichten
gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die elektrisch isolierenden
Zwischenschichten weisen bevorzugt eine mit Ferrit vergleichbare
oder geringere Leitfähigkeit auf. Ferrit hat eine Leitfähigkeit
von etwa 10 S/m. Besonders bevorzugt weisen die nicht elektrisch
leitfähigen Zwischenschichten eine typische Leitfähigkeit
eines Isolators auf, beispielsweise eine Leitfähigkeit
in einer Größenordnung von weniger als 10–15 S/cm. Die elektrisch isolierenden
Zwischenschichten können aus einer oder mehreren Einzelschichten,
insbesondere aus mehreren Einzelschichten aus unterschiedlichen
Materialien, bestehen.
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1 veranschaulicht
in einer schematischen Darstellung die Wirkungsweise eines derartig aus
Schichten aufgebauten Spulenkerns. In 1a) ist
ein Schnitt durch einen massiven, isotrop leitfähigen Kern 1 dargestellt.
Die durch Pfeile angedeutete Stromrichtung I symbolisiert den in
der Spulenwicklung fließenden Strom. Bei Stromfluss in
der Spulenwicklung bildet sich im Kern 1 ein Magnetfeld
aus. Aufgrund der isotropen elektrischen Leitfähigkeit
des Kernmaterials werden innerhalb des massiven Kerns Wirbelströme
W induziert, die zu einer unerwünschten Abschwächung
des Magnetfelds im Kern führen.
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In 1b)
und c) ist jeweils ein Schnitt durch einen Kern 11, 21 dargestellt,
der aus einer Vielzahl von Kernmaterial-Lagen 13, 23 besteht,
die durch elektrisch isolierende Zwischenschichten 15, 25 jeweils
gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die isolierenden Zwischenschichten 15, 25 bewirken,
dass der Kern eine anisotrope Leitfähigkeit, nämlich
nur parallel zu den einzelnen Kernmaterial-Lagen, aufweist. Auf
diese Weise wird die Bildung von Wirbelströmen, die dem
durch den Stromfluss I in der Spulenwicklung induzierten Magnetfeld
entgegenwirken, im Wesentlichen unterbunden.
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Bei
Verwendung der Kerne 11, 21 in einem in eine Leiterkarte
integrierten Leitfähigkeitssensor erstrecken sich die Kernmaterial-Lagen
im Beispiel der 1b) in Stapelrichtung S der
Leiterkarte, während sie sich im Beispiel der 1c)
senkrecht zu Stapelrichtung S erstrecken.
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Bei
einer Orientierung der Kernmaterial-Lagen gemäß 1b),
also senkrecht zu den Lagen der mehrlagigen Leiterkarte, ist aus
fertigungstechnischen Gründen eine gewisse Mindesthöhe
des Ringkerns in Kauf zu nehmen. Unter der Höhe des Ringkerns
ist seine Erstreckung in Richtung der zentralen Achse der Ringspule
bzw. in Stapelrichtung S der Leiterkarte zu verstehen. Diese Mindesthöhe
beträgt ungefähr 2 mm und ist dadurch bedingt,
dass zur Herstellung eines solchen so genannten Ringbandkerns, dessen
Verwendung in herkömmlichen, d. h. nicht in eine Leiterkarte
integrierte, Ringspulen aus dem Stand der Technik bekannt ist, ein
Band aus dem Kernmaterial zu einem Ringkern aufgewickelt wird, dessen
Höhe durch die Breite des Bandes bestimmt wird. Diese Breite
kann bei den gängigen Kernmaterialien nicht beliebig gering
gewählt werden. Kommerziell sind derzeit keine Kernmaterial-Bänder
unter einer Breite von 2 mm erhältlich.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung erstrecken sich die Kernmaterial-Lagen
und die isolierende Zwischenschicht parallel zu den Lagen der mehrlagigen
Leiterkarte. Die Stapelrichtung S der Leiterkarte bildet somit eine
Normale zu den Kernmaterial-Lagen und der mindestens einen isolierenden
Zwischenschicht. In dieser Ausgestaltung wird die Mindesthöhe
des Ringkerns durch die Höhe, also die Schichtdicke, der
einzelnen Kernmateriallagen bestimmt. Diese kann in der Größenordnung
einiger μm gewählt werden.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung gegenüber einer Ausgestaltung
gemäß 1b) besteht darin,
dass beim Laminieren eines Ringbandkerns auf eine Leiterkartenlage
der beim Laminieren auf den Ringkern ausgeübte Druck zur
Zerstörung des Ringkerns führen kann. Bei einer
Ausgestaltung nach 1c) dagegen führt der
beim Laminieren auf den Ringkern ausgeübte Druck allenfalls
zu einer Beschädigung der äußeren Lagen,
was die Gesamtfunktionalität der Ringspule nur wenig beeinträchtigt.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform
wird der Ringkern aus 20 bis 50 einzelnen Kernmaterial-Lagen gebildet,
wobei zwischen den Kernmaterial-Lagen elektrisch isolierende Zwischenschichten,
welche aus einer oder mehreren Einzelschichten zusammengesetzt sein
können, angeordnet sind. Die Dicke der Kernmaterial-Lagen liegt
vorzugsweise zwischen 20 und 200 μm, besonders bevorzugt
bei etwa 25 bis 50 μm.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Kernmaterial-Lagen
ein Material hoher Permeabilität, insbesondere mit einer
Permeabilitätszahl von mehr als 10000, insbesondere eine
amorphe Legierung oder ein polykristallines oder ein nanokristallines
Material, insbesondere mit einer Korngröße von weniger
als 20 nm, auf Metallbasis.
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In
einer Ausgestaltung umfasst die isolierende Zwischenschicht eine
auf mindestens einer Oberfläche der Kernmaterial-Lagen
ausgebildete Oxidschicht, insbesondere eine natürliche
Oxidschicht des Kernmaterials. Unter einer natürlichen
Oxidschicht ist eine Oxidschicht zu verstehen, die sich durch Reaktion
mit dem Luftsauerstoff ohne weitere zusätzliche Maßnahmen
an der Oberfläche des Kernmaterials ausbildet. Dies ist
insbesondere fertigungstechnisch von Vorteil, da bei einem Kernmaterial
mit natürlicher Oxidschicht der Kern durch Stapeln der
einzelnen Kernmaterial-Lagen hergestellt werden kann, ohne weitere
Maßnahmen zur Einfügung von isolierenden Zwischenschichten
zu treffen. Falls das Kernmaterial an seiner Oberfläche
keine oder keine zur Unterbindung von Wirbelströmen in
einem geschichteten Kern ausreichend dicke natürliche Oxidschicht
aufweist, kann die Oxidschicht auch künstlich erzeugt werden,
beispielsweise durch ein elektrochemisches Verfahren.
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In
einer weiteren Ausgestaltung umfasst die isolierende Zwischenschicht
eine Lage aus einem Kunststoff, insbesondere aus Teflon oder Kapton. Vorteilhafterweise
weist diese Kunststoff-Lage eine Dicke zwischen 5 und 25 μm
auf. Die Kunststoff-Lage kann als Kunststoff-Folie, die auf einer
darunterliegenden Kernmaterial-Lage aufliegt und optional an der
darunterliegenden Kernmaterial-Lage befestigt ist, beispielsweise
durch Kleben oder Laminieren, oder als Lackierschicht, die auf die
darunterliegende Kernmaterial-Lage auflackiert ist, ausgestaltet
sein.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ringkern in einer Aussparung
in der Leiterkarte zwischen der ersten und der zweiten Ebene angeordnet. Der
Ringkern kann bei der Fertigung der Leiterkarte in eine Aussparung
eingebracht werden, z. B. durch einlaminieren oder einlegen oder
einkleben.
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In
einer weiteren Ausgestaltung umfasst die isolierende Zwischenschicht
eine Lage der mehrlagigen Leiterkarte. Dies ist eine fertigungstechnisch
besonders günstige Variante, da die einzelnen Kernmaterial-Lagen
bei dieser Ausgestaltung jeweils direkt auf eine Leiterkartenlage
aufgebracht, beispielsweise durch Laminieren oder Kleben, und danach
gegebenenfalls durch Ätzen in die gewünschte Form,
z. B. in eine Ringform, gebracht werden können. In einem alternativen
Fertigungsverfahren können die Kernmaterial-Lagen auch
zunächst durch Ätzen in die gewünschte
Form gebracht werden, und danach auf die Leiterkartenlage auflaminiert
oder aufgeklebt werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist mindestens
eine erste Kernmaterial-Lage auf einer Teilfläche einer
ersten Lage der mehrlagigen Leiterkarte aufgebracht, und mindestens
eine zweite Kernmaterial-Lage mit der ersten Kernmaterial-Lage fluchtend
auf einer Teilfläche einer zweiten Lage der mehrlagigen
Leiterkarte aufgebracht. Vorzugsweise sind dabei weitere Kernmaterial-Lagen
auf weiteren Lagen der mehrlagigen Leiterkarte mit der ersten und
der zweiten Kernmaterial-Lage fluchtend aufgebracht sind. Bevorzugt
umfasst der Ringkern nach dieser Weiterbildung also eine Vielzahl
von Kernmaterial-Lagen, die, jeweils mit den übrigen Kernmaterial-Lagen
des Ringkerns fluchtend, jeweils auf einer Lage der mehrlagigen
Leiterkarte aufgebracht sind. Bevorzugt liegt zwischen den einzelnen
Kernmaterial-Lagen jeweils nur eine einzige Lage der Leiterkarte.
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Dabei
ist weiterhin vorteilhafterweise auf einer weiteren Teilfläche
derjenigen Lagen der mehrlagigen Leiterkarte, auf denen eine Kernmaterial-Lage aufgebracht
ist, eine Schicht aus einem Füllmaterial aufgebracht. Das
Füllmaterial kann prinzipiell beliebig gewählt
werden. Vorteilhafterweise ist das Füllmaterial identisch
mit dem Material aus dem die Lagen der Leiterkarte bestehen, beispielsweise
aus einem Prepreg, einem Polyimid oder einem Epoxid.
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Durch
das Aufbringen dieser Füllmaterial-Schicht wird eine Aufwölbung
der Leiterkartenlagen aufgrund der räumlichen Konzentration
der Kernmaterial-Lagen in einem Teilbereich der Leiterkarte und
dem damit einhergehenden Höhenunterschied zwischen dem
Leiterkartenbereich, in dem der Ringkern verläuft, und
den übrigen Leiterkartenbereichen vermieden.
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Ein
besonders vorteilhafter Ausgleich zwischen dem Leiterkartenbereich,
in dem die Ringkernspule verläuft, und den übrigen
Leiterkartenbereichen außerhalb der Ringkernspule wird
erreicht, indem die Schicht aus dem Füllmaterial im Wesentlichen
die gleiche Schichtdicke aufweist wie die Kernmaterial-Lage, die
auf derselben Lage der mehrlagigen Leiterkarte aufgebracht ist wie
die Schicht aus dem Füllmaterial.
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Die
Erfindung wird nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines massiven Spulenkerns (a) im Vergleich
zu einem mehrere durch isolierende Zwischenschichten gegeneinander
isolierte Kernmaterial-Lagen umfassenden Spulenkern (b), (c);
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2 eine
schematische Längsschnittdarstellung einer Ringspule mit
einem aus mehreren gegeneinander isolierten Kernmaterial-Lagen gebildeten
Ringkern;
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3 eine
schematische Längsschnittdarstellung einer Ringspulenanordnung
mit zwei Ringspulen gemäß 2 in einem
Leitfähigkeitssensor;
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4 eine
schematische Längsschnittdarstellung einer Ausgestaltung
des Ringkerns, bei der die Zwischenschichten jeweils eine Leiterkartenlage umfassen
a)
ohne Füllmaterial-Schichten
b) mit Füllmaterial-Schichten;
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5 ein
Diagramm mit Simulationsergebnissen des Ausgabesignals einer Empfängerspule
in einem induktiven Leitfähigkeitssensor mit einer Ringspulenanordnung
gemäß 3 als Funktion der Leitfähigkeit
eines flüssigen Messmediums für verschiedene Arten
von Ringkernen.
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In 2 ist
schematisch ein Längsschnitt durch eine in einer Leiterkarte
integrierte Ringspule 207 mit einem erfindungsgemäß aus
mittels Zwischenschichten 225 gegeneinander isolierten
Kernmaterial-Lagen 223 dargestellt. Die Ringspule 207 umfasst
eine Spulenwicklung, welche eine durchgehende Öffnung 209 in
der Leiterkarte 213 einschließt. Die Spulenwicklung
umfasst erste Leiterabschnitte 215, die auf der Oberseite
der bezüglich der Stapelrichtung S der Leiterkarte obersten
Lage, der so genannten Decklage, der Leiterkarte verlaufen. Zwischen
der bezüglich der Stapelrichtung S untersten Lage der Leiterkarte,
der so genannten Basislage, und der Decklage ist eine Zwischenlage
angeordnet, die selbst eine oder mehrere Leiterkartenlagen umfassen
kann. Die Zwischenlage umfasst eine Aussparung, in der ein Spulenkern 221 für
die Ringspule 207 eingesetzt wird, bevor die Decklage mit
der Zwischenlage gefügt wird. Die ersten Leiterabschnitte 215 und
die zweiten Leiterabschnitte 217 werden über Durchkontaktierungen 219 durch
die Leiterkartenlagen miteinander kontaktiert, so dass die ersten Leiterabschnitte 215,
die zweiten Leiterabschnitte 217 und die Durchkontaktierungen 219 zusammen die
Spulenwicklung der Ringspule 207 mit einer Vielzahl von
Windungen bilden, die sich um den Spulenkern 221 winden.
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Der
Spulenkern 221 umfasst eine Vielzahl von Kernmaterial-Lagen 223,
beispielsweise aus einer hochpermeablen (μ > 10000), amorphen Legierung
auf Metallbasis oder einem nanokristallinen Material mit einer Korngröße
von weniger als 20 nm auf Metallbasis. Zwischen den einzelnen Kernmaterial-Lagen 225 sind
elektrisch isolierende Zwischenschichten 225 aus einem
Kunststoff, beispielsweise aus Kapton oder aus Teflon, angeordnet,
der bevorzugt eine elektrische Leitfähigkeit von weniger
als 10–15 S/cm aufweist.
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Zum
Schutz gegen aggressive Messmedien weist die Ringspule 207 im
benetzbaren Bereich eine Kunststoffschutzschicht 210 auf,
welche vorzugsweise sämtliche Oberflächen der
Ringspule 207 im benetzbaren Bereich vollständig überdeckt.
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Die
Ringspule gemäß 2 kann mit
Verfahren der konventionellen Leiterkartenfertigung hergestellt
werden, wie beispielsweise in O. Dezuari, S. E. Gilbert,
E. Belloy, M. A. M. Gijs, „A new hybrid technology for
planar microtransformer fabrication", Sensors and Actuators
A 71 (1998), S. 198-207, beschrieben. Der Ringkern 221 kann
in einem derzeit bevorzugten Verfahren hergestellt werden, indem einzelne
Kernmaterial-Folien in eine gewünschte Form der späteren
Kernmaterial-Lage, beispielsweise in eine Kreisringform, gebracht
werden, beispielsweise durch Ausstanzen, Laserschneiden oder durch photochemisches Ätzen.
Zum photochemischen Ätzen einer noch nicht auf eine Leiterkarten-Lage
aufgebrachten Kernmaterial-Folie wird auf die Folie beidseitig ein
positiver Photoresist aufgebracht. Danach wird nur eine der mit
Photoresist beschichteten Flächen belichtet, während
die andere beschichtete Fläche der Kernmaterial-Folie unbelichtet
bleibt. Nach dem Entwickeln liegt dann die entsprechend in die gewünschte
Form der späteren Kernmaterial-Lage gebrachte Folie auf
der nun als Trägermaterial dienenden unbelichteten Photoresist-Schicht
vor. In einem weiteren Schritt wird der gesamte übrige
Photoresist entfernt, so dass nur die Kernmaterial-Folie in ihrer
Endform übrig bleibt.
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Die
einzelnen in die gewünschte Form gebrachten Kernmaterial-Folien
werden in einem weiteren Fertigungsschritt übereinander,
d. h. miteinander fluchtend, angeordnet, so dass jede Folie eine
einzelne Kernmaterial-Lage eines Ringkerns bildet. Die Kunststoff-Zwischenlagen
werden alternierend zwischen den einzelnen Kernmaterial-Folien mit
den Kernmaterial-Folien fluchtend eingebracht. Die einzelnen Folien-Lagen
können übereinandergelegt werden, ohne sie aneinander
zu befestigen, sie können aber auch durch Verkleben oder
Laminieren miteinander fest verbunden werden.
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In
einer alternativen Ausgestaltung wird als Kernmaterial ein Material
mit einer natürlichen oder einer auf künstlichem
Wege, beispielsweise mittels eines elektrochemischen Verfahrens,
hergestellten Oberflächen-Oxidschicht verwendet. In diesem
Fall können die einzelnen Kernmaterial-Folien wie zuvor beschrieben
in die gewünschte Form für den Ringkern gebracht
und ohne weitere Zwischenlagen miteinander fluchtend übereinander
gestapelt und gegebenenfalls durch Kleben aneinander fixiert werden.
In dieser Ausgestaltung werden die isolierenden Zwischenschichten
zwischen den Kernmaterial-Lagen also durch die natürliche
oder künstliche Oxidschicht an der Oberfläche
der Kernmaterial-Lagen gebildet. Dabei sollten die natürlichen
oder künstlich erzeugten Oxidschichten eine ausreichende
Dicke aufweisen, um eine möglichst umfassende Unterdrückung der
Ausbildung von Wirbelströmen im fertigen Ringkern zu gewährleisten.
Diese Dicke variiert von Kernmaterial zu Kernmaterial und hängt
im Wesentlichen von der Leitfähigkeit der Oxidschicht ab.
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3 zeigt
eine Ringspulenanordnung 320 eines induktiven Leitfähigkeitssensors
mit einer ersten Ringspule 313 und einer zweiten Ringspule 314, die
entsprechend der im Zusammenhang mit 2 gezeigten
Weise aufgebaut sind, wobei die Spulen koaxial und axial hintereinander
angeordnet sind. Die Ringspulen 313, 314 umfassen
jeweils erste und zweite Leiterabschnitte 315, 317,
die über Durchkontaktierungen 319 durch Leiterkartenlagen
der Leiterkarte 307 miteinander kontaktiert sind, um jeweils
die Spulenwindungen der ersten 313 bzw. zweiten Ringspule 314 zu
bilden. Die Ringkerne 321 und 322 der Ringspulen 313 und 314 sind,
wie anhand von 2 beschrieben, aus einer Vielzahl
von Kernmaterial-Lagen 323 aufgebaut, die durch elektrisch
isolierende Zwischenschichten 325 jeweils gegeneinander isoliert
sind. Zwischen den Ringspulen kann weiterhin eine Trennlage 331 verlaufen,
die eine oder mehrere Einzelschichten umfassen kann, beispielsweise auch
Schirmungslagen zur Entkopplung der Spulen. Der benetzbare Bereich
ist, wie auch im Zusammenhang mit 2 beschrieben,
mit einer Kunststoffschutzschicht 310 überzogen.
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Der
induktive Leitfähigkeitssensor mit einer Ringspulenanordnung
gemäß 3 umfasst weiterhin eine mit
der Ringspule 313 elektrisch verbundene Sendeeinrichtung
zum Speisen der Ringspule 313 mit einer Wechselspannung
und eine mit der Ringspule 314 elektrisch verbundene Empfangseinrichtung
zur Weiterleitung des Ausgabesignals der Empfängerspule
als Messsignal an die Messelektronik des Leitfähigkeitssensors.
Diese können entweder ebenfalls in der Leiterkarte 307 integriert
oder außerhalb der Leiterkarte 307 in einem Gehäuse
des induktiven Leitfähigkeitssensors angeordnet sein.
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In 4 ist
zur Veranschaulichung eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung schematisch ein Längsschnitt durch eine mehrlagige
Leiterkarte 407 mit drei exemplarischen Leiterkartenlagen 433, 434 und 435 gezeigt.
Zwischen der bezüglich der Stapelrichtung S der Leiterkarte
untersten Leiterkartenlage 433 und der mittleren Leiterkartenlage 434 sowie
zwischen der mittleren Leiterkartenlage 434 und der bezüglich
der Stapelrichtung S der Leiterkarte obersten Leiterkartenlage 435 ist
jeweils eine Kernmaterial-Lage 423 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel
bildet somit die mittlere Leiterkartenlage 434 selbst eine
elektrisch isolierende Zwischenschicht zwischen den Kernmaterial-Lagen 423. Die
Kernmaterial-Lagen 423 sind miteinander fluchtend jeweils
auf einer Teilfläche der bezüglich der Stapelrichtung
S unterhalb der jeweiligen Kernmaterial-Lage 423 angeordneten
Leiterkartenlage 433 bzw. 434 aufgebracht.
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Der
aus den Kernmaterial-Lagen 423 und der die Kernmaterial-Lagen 423 gegeneinander
elektrisch isolierenden Leiterkartenlage 434 gebildete Spulenkern
(die den Kern umgebenden Spulenwindungen sind in 4 nicht
dargestellt) nimmt also in lateraler Richtung, d. h. in senkrechter
Richtung zur Stapelrichtung der Leiterkarte, nur einen Teilbereich des
Zwischenraums zwischen den Leiterkartenlagen 433 und 434 bzw. 434 und 435 ein.
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Sind
in dem außerhalb der Kernmaterial-Lagen 423 liegenden
Teilbereich dieser Zwischenräume, keine weiteren Elemente,
wie z. B. Leiterbahnen oder ähnliches, vorgesehen, kommt
es, wie in 4a) dargestellt, zu einer Aufwölbung
der Leiterkartenlagen 434 und 435 in diesem Teilbereich,
die umso stärker ausfällt, je mehr Kernmaterial-Lagen und
Leiterkartenlagen zur Bildung des Spulenkerns vorgesehen sind. Bei
einer Dicke der Kernmaterial-Lagen von jeweils 25 μm beträgt
der Höhenunterschied zwischen dem Bereich der Leiterkarte 407, den
der Spulenkern einnimmt, und dem den Spulenkern umgebenden Bereich
ca. 25 μm, so dass beispielsweise bei 24 Kernmaterial-Lagen
insgesamt ein Höhenunterschied von 0,6 mm auftritt. Dies
führt zu einer derart starken Aufwölbung der äußersten Leiterkartenlagen,
dass das Aufbringen von Leiterbahnen auf diese Leiterkartenlagen
zur Ausbildung der Spulenwindungen wesentlich erschwert oder sogar
nahezu unmöglich wird.
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Es
ist deshalb von Vorteil, wie in 4b) dargestellt,
in den Bereichen außerhalb des Spulenkerns Zwischenräume
zwischen den Leiterkartenlagen 433 und 434 bzw.
den Leiterkartenlagen 434 und 435 mit Schichten
aus einem Füllmaterial aufgefüllt werden. Vorzugsweise
wird dabei als Füllmaterial das Basismaterial der Leiterkarte
verwendet, aus dem auch die Leiterkartenlagen 433, 434 und 435 gebildet
sind. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Prepreg handeln.
Gleichermaßen sind als Füllmaterial andere Substanzen,
wie beispielsweise ein Expoxidharz oder ein Polyimid geeignet. Das
Füllmaterial bildet so in den Bereichen außerhalb
des Spulenkerns ebenfalls eine Schicht, die vorzugsweise etwa die
gleiche Schichtdicke aufweist wie die jeweilige Kernmaterial-Lage 423,
die auf der gleichen Leiterkartenlage angeordnet ist wie die Füllmaterial-Schicht.
Damit wirken die Füllmaterial-Schichten als Abstandhalter
zwischen den Leiterkartenlagen 433, 434 und 435,
so dass eine Aufwölbung der Leiterkartenlagen vermieden
wird.
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In 5 ist
ein Diagramm mit Simulationsergebnissen des normierten Ausgabesignals
einer Empfängerspule in einem Leitfähigkeitssensor
mit einer Ringspulenanordnung gemäß 3 als
Funktion der Leitfähigkeit eines flüssigen Messmediums
für verschiedene Arten von Ringkernen gezeigt. Abszisse
und Ordinate dieses Diagramms tragen eine logarithmische Skala.
Der Verlauf des Ausgabesignals eines Leitfähigkeitssensors
mit Ferrit-Spulenkernen (Dreiecke) zeigt im Diagramm einen nahezu
linearen Verlauf. In der Simulation wurde dabei eine Leitfähigkeit
von Null und eine Permeabilitätszahl μ von 15000 angesetzt.
Vergleicht man damit den Verlauf des Ausgabesignals eines Leitfähigkeitssensors
mit einem massiven Ringkern aus einem elektrisch leitfähigen
hochpermeablen nanokristallinen Kernmaterial (Quadrate) mit einer
Leitfähigkeit von 8·105 S/m
und einer Permeabilitätszahl μ von 80000, ist
zum einen eine deutliche Verringerung der Signalintensität,
zum anderen auch eine starke Abweichung vom linearen Verlauf als
Funktion der Leitfähigkeit des Messmediums, insbesondere
bei Medien mit einer Leitfähigkeit unterhalb von 10–5 S/m erkennbar. Beides ist durch das
eingangs beschriebene Auftreten von Wirbelströmen innerhalb
des massiven Spulenkerns verursacht.
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Im
Gegensatz dazu zeigt ein Leitfähigkeitssensor mit einem
geschichteten Spulenkern aus demselben Kernmaterial (Kreise) zumindest
bei Leitfähigkeiten des Messmediums oberhalb von 10–5 S/m einen idealen (Kreuze) linearen
Verlauf, und weist zudem noch eine höhere Signalintensität
auf als der Leitfähigkeitssensor mit Ferrit-Spulenkernen.
Für die Simulation des idealen Verlaufs des normierten
Ausgangssignals als Funktion der Leitfähigkeit wurde eine
elektrische Leitfähigkeit des nanokristallinen Kernmaterials
von Null angesetzt. Für die Simulation der „realen” Ringkerne
(Kreise und Rauten) wurde dagegen eine Leitfähigkeit von
8·105 S/m angenommen, wobei die
einzelnen Kernmaterial-Lagen elektrisch vollständig gegeneinander
isoliert sind. Ein ähnliches Ergebnis wie für
den geschichteten Ringkern erhält man für einen
Ringbandkern aus demselben nanokristallinen Material (Rauten).
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Neben
den vorstehend gezeigten Ausführungsbeispielen sind auch
andere Ausführungsbeispiele der Erfindung denkbar. Beispielsweise
können die beiden Ringspulen des Leitfähigkeitssensors
statt koaxial axial hintereinander auch koaxial koplanar mit einer
gemeinsamen zentralen Achse oder koplanar nebeneinander mit parallelen
zentralen Achsen angeordnet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19851146
A1 [0004]
- - DE 4116468 A1 [0004]
- - DE 102006025194 A1 [0004, 0005]
- - DE 102006056174 A1 [0004]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - O. Dezuari,
S. E. Gilbert, E. Belloy, M. A. M. Gijs, „A new hybrid
technology for planar microtransformer fabrication”, Sensors
and Actuators A 71 (1998), S. 198-207 [0038]