DE102008058538A1 - Giant magnetoresistance sensor for detection of magnetic material, has sensor element and temperature sensor element arranged in sensor housing with multilayered structure, where elements are enclosed by embedding layer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen GMR-Sensor zur Erfassung magnetischen Materials, ein Verfahren zum Einrichten eines solchen GMR-Sensors und eine Einrichtungsvorrichtung.The The invention relates to a GMR sensor for detecting magnetic material, a method for setting up such a GMR sensor and a Equipment device.
Sensoren
zur Erfassung eines magnetischen Materials werden in unterschiedlichen
Techniken gefertigt. Bei einem einfachen Aufbau kommen Reed-Schalter
zur Anwendung, andere Sensoren sind auf Basis von Hall-Elementen
aufgebaut. GMR-Sensoren nutzen einen so genannten GMR-Effekt (Giant
Magnetoresistance) eines GMR-Elementes. Der Vorteil bei der Verwendung
von GMR-Elementen liegt in deren hoher Empfindlichkeit gegenüber
den vorher angegebenen Techniken von Reed-Schaltern und Hall-Elementen.
Beispielsweise beschreibt die
Ein
weiteres wichtiges Merkmal ist die Erkennung von ferritischen Materialien
durch Verwendung eines Magneten zur Erzeugung einer magnetischen Vorspannung
und Nutzung von Sensorelementen zur Auswertung. Beispiele zur Illustration
bilden die Schriften
Als nachteilig wird dabei gesehen, dass die in zahlreichen Ausführungen bestehenden Sensoren in der Regel für den Betrieb bis zu einer Temperatur von +80°C geeignet sind.When disadvantageous it is seen that in numerous designs existing sensors usually for operation up to a temperature of + 80 ° C are suitable.
Weiterhin werden an eine Abtaststelle hohe Anforderungen hinsichtlich Dichtigkeit des Sensors, Beständigkeit gegen äußere Medien und hohe Temperaturanforderungen gestellt. Außerdem sind Einflüsse der Temperatur auf die Abtastelemente und die Realisierung eines hohen Schaltabstandes zu berücksichtigen. Zudem soll eine hohe Genauigkeit gewährleistet sein.Farther At a sampling high demands for tightness of the sensor, resistance to external Media and high temperature requirements. Furthermore are influences of temperature on the sensing elements and to consider the realization of a high switching distance. In addition, a high accuracy should be guaranteed.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserte GMR-Sensor und ein Einrichtungsverfahren bzw. -vorrichtung für diesen GMR-Sensor bereitzustellen, wobei die obigen Nachteile des Standes der Technik deutlich verringert sind.It Therefore, the object of the present invention, an improved GMR sensor and a device method or apparatus for to provide this GMR sensor, the above disadvantages of State of the art are significantly reduced.
Die Aufgabe wird durch einen GMR-Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Einrichten eines derartigen Sensors nach Anspruch 16 und eine Einrichtungsvorrichtung nach Anspruch 21 gelöst.The The object is achieved by a GMR sensor having the features of the claim 1 solved. The object is further achieved by a method for Setting up such a sensor according to claim 16 and an apparatus solved according to claim 21.
Demgemäß weist ein GMR-Sensor zur Erfassung magnetischen Materials, Folgendes auf: zumindest ein Sensorelement zur Erfassung magnetischen Materials und zumindest ein Temperatursensorelement zur Erfassung einer Temperatur, wobei das zumindest eine Sensorelement und das zumindest eine Temperatursensorelement in einem Sensorgehäuse mit einem mehrschichtigen Aufbau, der zumindest eine Abschlussschicht und eine Einbettungsschicht aufweist, angeordnet und von der Einbettungsschicht umgeben sind.Accordingly, FIG a GMR sensor for detecting magnetic material, the following: at least one sensor element for detecting magnetic material and at least one temperature sensor element for detecting a temperature, wherein the at least one sensor element and the at least one temperature sensor element in a sensor housing with a multilayer structure, the at least one finishing layer and an embedding layer has, arranged and surrounded by the embedding layer.
Hiermit ist es vorteilhaft möglich, den Sensor in einem Bereich zur Erfassung von magnetischem Material in einer Umgebung mit hoher Temperatur einzusetzen, wobei der Einsatzbereich sich von –25°C bis +120°C erstreckt.Herewith It is advantageously possible to place the sensor in one area for detecting magnetic material in a high-environment environment Temperature to use, with the application range of -25 ° C. extends to + 120 ° C.
Durch den Einsatz des Temperatursensorelementes können Nachteile durch Temperaturdrift des Sensorelementes vermieden werden.By the use of the temperature sensor element can disadvantages be avoided by temperature drift of the sensor element.
Mit einem Vorspannmagnet ist eine zusätzliche Erfassung von ferritischem Material vorteilhaft möglich. Dabei kann das Ausgangssignal des Sensorelementes mit Schwellwerten für das Ein- und Ausschalten des Sensors verglichen werden, wobei so die Betätigung des Sensors definiert ist.With a biasing magnet is an additional detection of Ferritic material advantageously possible. It can do that Output signal of the sensor element with threshold values for the switching on and off of the sensor are compared, whereby the Operation of the sensor is defined.
Insbesondere bei flüssigen oder gasförmigen Medien ist eine gute Wärmeübertragung auf das Sensorelement zur Erfassung von ferritischem Material gegeben.Especially in liquid or gaseous media is a good heat transfer to the sensor element for Detection of ferritic material given.
Zur Erfassung ferritischer Materialien mit hoher Auflösung kann das Sensorelement in dem durch Temperatur stärker beanspruchten Bereich des Sensors positioniert werden. Bei Temperaturwechseln kommt es aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu mechanischen Spannungen, welche die Lebensdauer des Sensors beeinträchtigen können. Durch den erfindungsgemäßen GMR-Sensor ist das Sensorelement vor Schock und Vibration im praktischen Einsatz geschützt, was auch das Temperatursensorelement betrifft, welches zum Beispiel ein Thermoelement sein kann. Andere Ausführungen sind selbstverständlich möglich. Mit dieser Temperaturerfassung ist eine Temperaturkompensation eines Signals des Sensorelementes zur Abtastung bzw. Erfassung von ferritischem Material in der Nähe der Messstelle möglich, wo auch die Temperaturerfassung stattfindet.to Detection of high-resolution ferritic materials the sensor element may be stronger in temperature stressed area of the sensor are positioned. When temperature changes comes it due to the different thermal expansion coefficients to mechanical stresses that affect the life of the sensor can. By the GMR sensor according to the invention is the sensor element against shock and vibration in practical use protected, as far as the temperature sensor element is concerned, which may be a thermocouple, for example. Other versions are of course possible. With this temperature detection is a temperature compensation of a signal of the sensor element for sensing ferritic material in the vicinity the measuring point possible, where also the temperature measurement takes place.
Im Bereich der Messstelle ist das Sensorelement so gekapselt, dass mechanische Spannungen aufgrund thermischer Ausdehnung in homogener Weise auf ein Gehäuse des Sensorelementes wirken. Mechanische Scherspannungen an der Oberfläche des Sensorelementes werden so vermieden. Dies wird zum Beispiel durch den Einbettungsbereich vorgenommen, welcher das Sensorelement umgibt und zum Beispiel eine gelartige Substanz ist. Diese Einbettungsschicht ist nach außen hin von einer weiteren Schicht, einer Abschlussschicht abgeschlossen, welche eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber Medien aufweist, welche an der Messstelle vorkommen können. Andererseits weist sie eine geringere Steifigkeit als die Einbettungsschicht auf. Bei thermischer Ausdehnung der Einbettungsschicht, nämlich der gelartigen Schicht, gibt die Abschlussschicht derart nach, dass der Druck in der Einbettungsschicht unterhalb einer spezifizierten Grenze bleibt, die durch das Sensorelement zur Erfassung magnetischer und/oder ferritischer Materialien vorgegeben ist. Diese Abschlussschicht kann zum Beispiel aus Metall mit federnden Eigenschaften, aus Kunststoff oder aus Vergussmaterial in definierter Dicke und Form bzw. aus einem mehrschichtigen Materialverbund hergestellt sein. Die Abschlussschicht kann auch ein Druckausgleichelement, zum Beispiel eine Membrane, aufweisen.In the area of the measuring point, the sensor element is encapsulated so that mechanical stresses due to thermal expansion act in a homogeneous manner on a housing of the sensor element. Mechanical shear stresses on the surface of the sensor element are thus avoided. This is done, for example, by the embedding area which surrounds the sensor element and is for example a gel-like substance. This embedding layer is closed to the outside by another layer, a final layer, which has a high mechanical resistance and a high chemical resistance to media that may occur at the measuring point. On the other hand, it has a lower rigidity than the embedding layer. Upon thermal expansion of the potting layer, namely the gelatinous layer, the overcoat layer yields such that the pressure in the potting layer remains below a specified limit dictated by the sensor element for detecting magnetic and / or ferritic materials. This finishing layer can be made, for example, of metal with resilient properties, of plastic or of potting material in a defined thickness and shape or of a multilayer composite material. The cover layer may also include a pressure compensation element, for example a membrane.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Abschlussschicht eine Zugentlastung für eine Zuleitung des GMR-Sensors bildet und/oder aufweist. Sie kann auch ein Bestandteil des Sensorgehäuses sein.In A further embodiment provides that the finishing layer forms a strain relief for a supply of the GMR sensor and / or has. It can also be a part of the sensor housing be.
Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der gelartigen Einbettungsschicht besteht darin, die Auswirkung von Schock und Vibration auf den Sensor zu dämpfen.A further advantageous property of the gelatinous embedding layer This is the effect of shock and vibration on the sensor to dampen.
Der GMR-Sensor kann eine Steuereinheit zur Auswertung der Signale des zumindest einen Sensorelementes und des zumindest einen Temperatursensorelementes aufweisen. Dabei kann die Steuereinheit in der Abschlussschicht integriert bzw. aufgenommen sein. Das Signal des Temperatursensorelementes kann von dieser Steuereinheit separat neben dem Signal des Sensorelementes bereitgestellt werden. Die Auswertung wird bevorzugt in der Steuereinheit, die zum Beispiel mit einem Kontroller ausgerüstet ist, vorgenommen. Es ist aber auch möglich, dass die Auswertung der vom Sensorelement erfassten magnetischen Änderungen im Sensorelement selbst erfolgt.Of the GMR sensor can be a control unit for evaluating the signals of the at least one sensor element and the at least one temperature sensor element exhibit. In this case, the control unit in the finishing layer be integrated or included. The signal of the temperature sensor element can from this control unit separately next to the signal of the sensor element to be provided. The evaluation is preferred in the control unit, which is equipped with a controller, for example, performed. But it is also possible that the evaluation the magnetic changes detected by the sensor element takes place in the sensor element itself.
Ein Ausgang des GMR-Sensors kann konfigurierbar sein, zum Beispiel in Bezug auf Strom oder Spannung bzw. NPN- oder PNP-Funktion oder wiederum als Öffner- oder Schließerfunktion.One The output of the GMR sensor can be configurable, for example in Reference to current or voltage or NPN or PNP function or turn as normally closed or normally open function.
Die Schaltausgänge und/oder analoge Ausgänge des GMR-Sensors können bei einem Einrichtvorgang des GMR-Sensors mit Signalen beaufschlagt sein, welche den Einrichtvorgang kennzeichnen, wobei diese Signale zur Kennzeichnung eines Einrichtbereiches mit ungültigen oder unsicheren Werten vorher festlegbare Signalformen aufweisen.The Switching outputs and / or analogue outputs of the GMR sensor can during a setup process of the GMR sensor with signals be acted upon, which characterize the setup process, wherein these signals to identify a setup area with invalid or unsafe values have pre-definable waveforms.
In einer alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass das zumindest eine Sensorelement und das zumindest eine Temperatursensorelement auf einer Sensorleiterplatte angeordnet sind. Diese ist in bevorzugter Ausführung mit einer Steuereinheit auf einer Steuerleiterplatte über eine flexible Verbindungsleiterplatte verbunden. Somit kann die Orientierung des Sensorelementes zu einer Abtastfläche des Sensors sichergestellt werden.In an alternative embodiment is provided that the at least one sensor element and the at least one temperature sensor element are arranged on a sensor circuit board. This is in preferred Version with a control unit on a control board via a flexible connection board connected. Thus, the Orientation of the sensor element to a scanning of the Sensors are ensured.
Die Steuereinheit kann zumindest eine Speichereinrichtung zur Speicherung eines Auswerteprogramms aufweist, wobei das Auswerteprogramm von einer Montage der Steuereinheit in das Sensorgehäuse oder nach einer Demontage in die Speichereinrichtung nachladbar ist.The Control unit may at least one storage device for storage an evaluation program, wherein the evaluation program of a Mounting the control unit in the sensor housing or after a disassembly in the storage device is reloadable.
Ein hoher Temperaturbereich für die Gesamtkonfiguration wird bei GMR-Sensoren mit Temperatursensoren und Sensorelementen zur Erfassung magnetischer oder ferritischer Materialien durch einen mindestens zweischichtigen bzw. mehrschichtigen Aufbau innerhalb des Sensors erzielt. Hier werden Komponenten zur Absicherung der Dichtigkeit und mechanischen Stabilität in den äußeren Schichten mit Materialien kombiniert, die zur thermischen Stabilisierung und thermischen Ankopplung an die sensorisch relevante Abtastfläche dienen. Dies kann beispielsweise im Vergussverfahren durch mindestens zweischichtigen Verguss in ein Gehäuse aus Metall oder ein anderes strapazierfähiges Material erfolgen. Das Anspritzen einer Zuleitung (Kabel) an die thermisch kompensierte Einheit ist vorteilhaft.One high temperature range for the overall configuration for GMR sensors with temperature sensors and sensor elements for Detection of magnetic or ferritic materials by a at least two-layered or multi-layered structure within achieved the sensor. Here are components to ensure the tightness and mechanical stability in the outer Layers combined with materials used for thermal stabilization and thermal coupling to the sensory relevant scanning serve. This can, for example, in the casting by at least two-layer encapsulation in a metal or metal housing another hard-wearing material. Injection a supply line (cable) to the thermally compensated unit advantageous.
Die Realisierung einer hohen Genauigkeit über der Temperatur kann durch Hinterlegung des Temperaturganges des Sensorelementes in Verbindung mit dem Temperatursensorelement erfolgen, der in den Sensor integriert ist. Dazu kann die Steuereinheit mit einem Kontroller als Auswerteeinheit dienen, wobei der Temperaturgang zum Beispiel als Tabelle in einem Speicher abgelegt ist.The Realization of a high accuracy over the temperature can by depositing the temperature response of the sensor element take place in conjunction with the temperature sensor element, which in the Sensor is integrated. For this purpose, the control unit with a controller serve as an evaluation unit, wherein the temperature response, for example is stored as a table in a memory.
Die magnetische Kompensation des Sensorgehäuses ist innerhalb des Sensorelementes oder einer Auswerteeinheit möglich. Dabei kann auch der magnetische Einfluss von Edelstählen oder anderen schwach ferritischen Gehäusematerialien kompensiert werden. Dieser Kompensationsvorgang kann durch einen Einrichtvorgang erfolgen, der in der Produktion oder beim Einbau in eine Umgebung, in welcher ferritisches Material vorhanden ist, ausgeführt wird. Die Kompensation kann regelmäßig durch die Auswerteeinheit durchgeführt werden, um einer Anlagerung ferritischen Materials in der Umgebung des Sensors entgegenzuwirken. Dazu kann die Steuereinheit beispielsweise entsprechend ausgebildet sein.The magnetic compensation of the sensor housing is possible within the sensor element or an evaluation unit. In this case, the magnetic influence of stainless steels or other weakly ferritic housing materials can be compensated. This compensation operation can be done by a setup process that is carried out in production or installation in an environment in which ferritic material is present. The compensation can be done regularly by the Evaluation unit are performed to counteract an accumulation of ferritic material in the vicinity of the sensor. For this purpose, the control unit may be designed accordingly, for example.
Die Auswerteschaltung, zum Beispiel die Steuereinheit, kann ein Meldungssignal ausgeben, falls die Kompensationsfunktion sich dem Ende eines Aussteuerungsbereiches des Sensorelementes bis auf einen einstellbaren Schwellwert nähert. Die mechanischen Einstellpunkte des Sensors können einstellbar ausgeführt sein, wobei die Einstellung mit Hilfe der Auswerteeinheit erfolgt. Zur Aktivierung des Einstellvorgangs kann ein speziell auf den Sensor abgestimmter Magnet verwendet werden. Eine weitere Einstellmöglichkeit ist durch die Verwendung einer Signalisierung über die Ausgänge bzw. die Zuleitung gegeben. Dabei kann das Festlegen und Abspeichern einer Schaltschwelle mittels einer definierten Codierung vorgenommen werden, welche über eine Betätigung an den Anschlusskabeln (Zuleitung) erfolgt. Als Betätigungsmöglichkeiten kann ein Anlegen definierter Spannungen außerhalb des typischen Betriebsspannungsbereiches oberhalb oder deutlich unterhalb der Betriebsspannung durchgeführt werden. Eine weitere Möglichkeit der Signalisierung entsteht durch das definierte Einprägen von Strömen. Die Signalisierung wird bevorzugt in codierter Form vorgenommen, so dass eine Absicherung gegen ungewollte Parametrierung erzielt wird.The Evaluation circuit, for example, the control unit, a message signal if the compensation function is at the end of a modulation range of the sensor element approaches to an adjustable threshold. The mechanical setpoints of the sensor can be adjusted be executed, with the setting using the evaluation he follows. To activate the setting process, a special magnet matched to the sensor can be used. Another Adjustment is through the use of signaling over given the outputs or the supply line. It can do that Defining and saving a switching threshold by means of a defined Coding be made, which via an actuation on the connection cables (supply line). As operating possibilities can apply defined voltages outside the typical operating voltage range carried out above or well below the operating voltage become. Another way of signaling arises through the defined impressing of currents. The Signaling is preferably done in coded form, so that a protection against unintentional parameterization is achieved.
Eine Einrichtvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Einrichten kann mit einer Justiereinrichtung, welche codierbare Elektro- und/oder Permanentmagnete aufweist, erfolgen. Dabei kann die Justiereinrichtung eine Markierung zur Anzeige einer Richtung eines einzustellenden Schaltpunktes aufweisen.A Setup device for carrying out the method for Setup can be done with an adjustment device, which codable Electro and / or permanent magnets, done. It can the Adjustment means a marker for indicating a direction of a have to be set switching point.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:The Invention will now be described with reference to embodiments With reference to the accompanying drawings explained in more detail. Hereby shows:
Gleiche Bauelemente bzw. Funktionseinheiten mit gleicher Funktion sind mit gleichen Bezugszeichen in den Figuren gekennzeichnet.Same Components or functional units with the same function are with the same reference numerals in the figures.
In
Innerhalb
des Sensorgehäuses
In
der Abschlussschicht
Die
Steuereinheit
Bei
ferritischen Materialien ist eine Abtastung möglich, wenn
die Variation gemäß
Die
Einbettungsschicht
In
einer weiteren Variation, die
Weiterhin
kann die Polung bzw. Codierung der Permanentmagnete
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie ist im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.The The invention is not limited to the embodiments described above limited. It is included in the attached Claims modifiable.
Es
ist zum Beispiel denkbar, dass die Abschlussschicht
Die
Leiterplatten
Ein
Programm für die Auswerteeinheit bzw. Steuereinheit
- 11
- GMR-SensorGMR sensor
- 22
- Sensorgehäusesensor housing
- 33
- Abtastseitescanning side
- 44
- Abschlussschichttopcoat
- 55
- Einbettungsschichtburied layer
- 66
- Zuleitungsupply
- 77
- Steuereinheitcontrol unit
- 88th
- Magnetmagnet
- 99
- DruckausgleichelementPressure compensation element
- 1010
- Sensorelementsensor element
- 1111
- TemperatursensorelementTemperature sensor element
- 1212
- Zuleitungsverbindungsupply connection
- 1313
- SensorelementanschlussSensor element Connection
- 1414
- TemperatursensorelementanschlussTemperature sensor element Connection
- 1515
- SensorleiterplatteSensor circuit board
- 1616
- VerbindungsleiterplatteConnecting board
- 1717
- SteuerleiterplatteControl board
- 1818
- Justiereinrichtungadjusting
- 19, 19'19 19 '
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 2020
- Signalsignal
- N, SN, S
- Nord-/SüdpolNorth / South Pole
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20120601 |