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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetometer und ein Verfahren zum Messen von magnetischen Flussdichten mit einem solchen Magnetometer.
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Stand der Technik
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Magnetometer dienen als Sensoren zur Erfassung von Magnetfeldern. Beispielsweise werden Magnetometer in Kompassanwendungen zur Erfassung des Erdmagnetfeldes eingesetzt. Es sind mikroelektromechanische Magnetometer bekannt, die mittels der Lorentzkraft ein anliegendes Magnetfeld in eine Auslenkung wandeln, welche anschließend kapazitiv ausgelesen wird. Magnetsensoren verwenden jedoch meist für jede Feldkomponente eine separate, raumeinnehmende Detektionsstruktur.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Magnetometer, welches
- – ein Substrat,
- – eine auf dem Substrat angeordnete Punktlagerung,
- – eine auf der Punktlagerung kippbeweglich gelagerte Schwingstruktur, wobei die Schwingstruktur eine, in mindestens einer Windung um den Lagerpunkt der Schwingstruktur herum geführte, elektrische Leitung aufweist, und
- – einen Detektor zur Bestimmung der Verkippung der Schwingstruktur bezüglich des Substrats
umfasst.
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Durch ein solches Magnetometer können vorteilhafterweise Komponenten eines äußeren Magnetfeldes (Bx und By) gemessen werden, welche parallel zur Oberfläche des Substrats verlaufen. Das Magnetometer hat dabei den Vorteil, dass zwei Feldkomponenten eines Magnetfeldes durch eine Detektionsstruktur gemessen werden können. Auf diese Weise kann ein solches Magnetometer weniger Raum einnehmen als andere Magnetometer. Neben der kompakten Bauweise, kann ein solches Magnetometer als weiteren Vorteil eine gut abgestimmte Empfindlichkeit aufweisen, was einen Einsatz für Kompassapplikationen ermöglicht.
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Im Rahmen einer Ausführungsform ist die elektrische Leitung über die Punktlagerung elektrisch kontaktierbar ist. Auf diese Weise kann die Kontaktierung der elektrischen Leitung vorteilhafterweise vereinfacht werden.
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Die Schwingstruktur ist vorzugsweise mindestens um eine erste Achse und eine zweite Achse verkippbar. Die erste Achse und die zweite Achse verlaufen dabei vorzugsweise durch den Lagerpunkt und stehen zueinander senkrecht. Eine Windung der elektrischen Leitung kann dabei durch vier orthogonal verknüpfte, lineare Leitungsabschnitte ausgebildet sein, wobei zwei der Leitungsabschnitte parallel zur ersten Achse und zwei der Leitungsabschnitte parallel zur zweiten Achse beziehungsweise zwei der Leitungsabschnitte senkrecht zur ersten Achse und zwei der Leitungsabschnitte senkrecht zur zweiten Achse (y) angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist die elektrische Leitung in mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, Windungen um den Lagerpunkt der Schwingstruktur herum geführt.
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Der Detektor kann zur Bestimmung der Verkippungsrichtung und/oder des Verkippungsgrads ausgebildet sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform bestimmt der Detektor die Verkippung, insbesondere die Verkippungsrichtung und/oder den Verkippungsgrad,
- – kapazitiv, und/oder
- – piezoresistiv, und/oder
- – piezoelektrisch, und/oder
- – auf der Basis eines Feldeffekttransistors mit beweglicher Gate-Elektrode oder beweglichem Kanalbereich (moving-gate Wandlung (IG-FET)).
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Insbesondere kann der Detektor ein kapazitiver Detektor sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Detektor mindestens zwei, insbesondere mindestens vier, auf dem Substrat ausgebildete Elektroden auf, welche mit der elektrischen Leitung differenziell auswertbare Detektionskapazitäten ausbilden. Insbesondere können die Elektroden dabei unterhalb der vier, durch die erste und zweite Achse gebildeten Quadranten der Schwingstruktur auf dem Substrat ausgebildet sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Punktlagerung eine Dämpfung auf. Die Dämpfung kann beispielsweise eine Güte von ≥ 0,5 bis ≤ 1 (kritische Dämpfung) oder eine deutlich größere Güte als eins, beispielsweise eine Güte von mehr als 10, zum Beispiel eine Güte von mehr als 500, aufweisen. Eine deutlich größere Güte als eins kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Schwingstruktur in einem Raum mit geringem Gasdruck, beispielsweise von 100 Pa, angeordnet ist.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind das Substrat, die Punktlagerung, die Schwingstruktur und der Detektor als mikroelektromechanische Strukturen ausgebildet.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind dabei die mikroelektromechanischen Strukturen und eine Auswerteschaltung monolithisch in einen Chip integriert. Dies kann beispielsweise durch ein Herstellungsverfahren erfolgen, welches die monolithische Integration von mikroelektromechanischen Strukturen und einer Auswerteschaltung auf einem gemeinsamen Chip erlauben. Insbesondere kann ein solches Herstellungsverfahren auf einem Halbleiterprozess zur Fertigung mikroelektronischer Schaltungen basieren, insbesondere einem CMOS-Prozess, wobei der CMOS-Prozess mindestens einen Halbleiterprozessschritt und mindestens einen Verdrahtungsprozessschritt umfasst, wobei die mikroelektromechanischen Strukturen des Magnetometers im Rahmen des Verdrahtungsprozessschrittes und eines anschließenden Strukturierungsprozessschrittes ausgebildet sind. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der Druckschrift
US 6,458,615 B1 beschrieben.
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Insbesondere kann das Magnetometer Hauptbestandteil eines Kompasses, insbesondere E-Kompasses, sein.
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Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch einen Kompass, insbesondere ein elektronischer Kompass (E-Kompass), der ein Erfindungsgemäßes Magnetometer umfasst. Neben dem erfindungsgemäßen Magnetometer kann der Kompass eine Vorrichtung zur Lagekompensation, beispielsweise in Form eines Neigungs- oder Beschleunigungssensors aufweisen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Messen von magnetischen Flussdichten mit einem erfindungsgemäßen Magnetometer, umfassend die Verfahrensschritte:
- a) Einprägen eines elektrischen Stroms in die Leitung, und
- b) Bestimmung der Verkippung, insbesondere die Verkippungsrichtung und/oder der Verkippungsgrad, durch den Detektor.
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Durch das Einprägen eines elektrischen Stroms in die Leitung kann eine Magnetfeldkomponente entlang der ersten Achse (x) ein Drehmoment und damit ein Verkippen um die zweite Achse (y) und eine Magnetfeldkomponente entlang der zweiten Achse (y) ein Drehmoment und damit ein Verkippen um die erste Achse (x) bewirken.
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Im Rahmen einer Ausführungsform des Verfahrens weist der Detektor mindestens zwei, insbesondere mindestens vier, auf dem Substrat ausgebildete Elektroden auf, welche mit der elektrischen Leitung differenziell auswertbare Detektionskapazitäten ausbilden, wobei in Verfahrensschritt b) die Verkippung, insbesondere die Verkippung um die erste und zweite Achse, durch differenzielle Auswertung der Detektionskapazitäten bestimmt wird.
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Dabei können z. B. abwechselnd die Größen
ausgewertet werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die Punktlagerung des Magnetometers eine Dämpfung mit einer Güte ≤ 30, insbesondere von ≥ 0,5 bis ≤ 1, (kritische Dämpfung) auf und es wird in Verfahrensschritt a) ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom eingeprägt. Das Einprägen eines Wechselstroms kann dabei zur Rauschunterdrückung und/oder für die Offsetstabilität in nachfolgenden Wandlungsschritten vorteilhaft sein.
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Das Magnetometer kann jedoch auch resonant betrieben werden.
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Dafür weist im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens die Punktlagerung des Magnetometers eine Dämpfung mit einer deutlich größeren Güte als eins, beispielsweise eine Güte von mehr als 10, zum Beispiel eine Güte von mehr als 500, auf und in Verfahrensschritt a) wird eine Wechselspannung eingeprägt und das resultierende Signal demoduliert. Dies hat den Vorteil, dass dadurch das Messsignal erhöht werden kann.
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Im resonanten Betriebsfall kann das Magnetometer vorteilhafterweise zudem lagegeregelt betrieben werden. Dabei wird unter einer „lagegeregelten Betriebsweise” insbesondere verstanden, dass durch eine geeignete Regelschaltung Gegenmomente derart auf die Struktur aufgebracht werden, dass diese nahezu in Ruhe bleibt (so genannter „closed-loop-Betrieb”). Damit lässt sich trotz des durch die hohe Güte bedingten schmalen Resonanzpeaks der Struktur vorteilhafterweise eine ausreichende Messbandbreite erzielen (so genannte „elektronische Dämpfung”), wobei ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beibehalten wird.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Magnetometer daher lagegeregelt betrieben.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
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1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetometers; und
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2 eine schematische Draufsicht auf die in 1 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetometers.
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Die 1 und 2 zeigen eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetometers. Das Magnetometer umfasst dabei ein Substrat 1, eine auf dem Substrat 1 angeordnete Punktlagerung 2, eine auf der Punktlagerung 2 kippbeweglich gelagerte Schwingstruktur 3 und einen Detektor 5 zur Bestimmung der Verkippung der Schwingstruktur 3 bezüglich des Substrats 1. Die Schwingstruktur 3 ist mittig auf der Punktlagerung 2 gelagert. Die Schwingstruktur 3 ist insbesondere um eine erste Achse x und eine zweite Achse y verkippbar, wobei die erste Achse x und die zweite Achse y durch den Lagerpunkt P der Schwingstruktur 3 verlaufen und zueinander senkrecht stehen. Auf diese Weise kann die Schwingstruktur 3 bei Einwirkung eines Drehmoments entlang der parallel zur Oberfläche des Substrates 1 verlaufenden ersten Achse x um die erste Achse x und bei Einwirkung eines Drehmoments entlang der parallel zur Oberfläche des Substrates 1 verlaufenden zweiten Achse y um die zweite Achse y verkippt werden. 2 zeigt, dass dies durch zwei, durch Aussparungen 6 speichenförmig in der Schwingstruktur 3 realisierte Streben 7 gewährleistet werden kann.
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Die 1 und 2 zeigen weiterhin, dass die plattenförmig ausgebildete Schwingstruktur 3 eine, in drei Windungen um den Lagerpunkt P der Schwingstruktur 3 herum geführte, elektrische Leitung 4 aufweist. Die elektrische Leitung dabei insbesondere in Form einer rechteckigen Spirale um den Lagerpunkt P der Schwingstruktur 3 herum geführt. Eine Windung der elektrischen Leitung 4 ist dabei durch vier orthogonal verknüpfte, lineare Leitungsabschnitte ausgebildet, wobei zwei der Leitungsabschnitte parallel zu beiden Seiten der ersten Achse x und zwei der Leitungsabschnitte parallel zu beiden Seiten der zweiten Achse y beziehungsweise zwei der Leitungsabschnitte senkrecht zur ersten Achse x und zwei der Leitungsabschnitte senkrecht zur zweiten Achse y angeordnet sind. Die elektrische Leitung 4 ist dabei auf einer Seite über die Punktlagerung 2 elektrisch kontaktiert.
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Die in den 1 und 2 gezeigte Ausführungsform weist insbesondere einen kapazitiven Detektor auf. Insbesondere weist der Detektor 5 dabei vier, auf dem Substrat 1 ausgebildete Elektroden 11a, 11b, 21a, 21b aufweist, welche mit der elektrischen Leitung 4 differenziell auswertbare Detektionskapazitäten (C11a, C11b, C21a, C21b) ausbilden. Die vier Elektroden sind dabei unterhalb der vier, durch die erste x und zweite y Achse gebildeten Quadranten der Schwingstruktur 3 auf dem Substrat 1 ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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