DE102010036126B3

DE102010036126B3 - Method for determining characteristic of micro coil of circuit device, involves calculating deviation between measured frequency response and analytically determined frequency response of micro coil to determine coil characteristics

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Publication number: DE102010036126B3
Application number: DE201010036126
Authority: DE
Inventors: Dr. Jäger Thomas; Prof. Dr. Reindl Leonhard Michael; Winfried Czech; Adnan Yousaf
Original assignee: Hopt Spulen und Antriebstechnik GmbH; Hopt Spulen- und Antriebstechnik GmbH; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Hopt Spulen- und Antriebstechnik De GmbH; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2010-09-01
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-09-02

Abstract

The method involves generating electromagnetic near field in micro coil (1) and determining input impedance of antenna terminals (6,7) in the micro coil to measure frequency response of the coil. An analytic model incorporating antenna characteristics and coil component characteristics is provided and frequency response of the micro coil is determined based on the analytic model. The deviation between measured frequency response and analytically determined frequency response is calculated to determine the coil characteristics.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Kennwerts für ehe Spulenkenngröße einer Mikrospule.The invention relates to a method for determining at least one characteristic value for a previous coil characteristic of a microcoil.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Praxis bekannt. Dabei werden die Spulenanschlüsse der Mikrospule über Anschlussklemmen und Messkabel mit einer Messvorrichtung verbunden. Zur Bildung eines Schwingkreises weist die Messvorrichtung eine elektrische Kapazität bekannter Größe auf, die der Mikrospule während der Messung parallel geschaltet wird. Mit Hilfe der Messvorrichtung wird ein elektrisches Wechselsignal an die Mikrospule angelegt, um in an sich bekannter Weise durch Messung der an der Mikrospule anliegenden Spannung und des Spulenstroms als Kennwerte die Spuleninduktivität, die Spulenkapazität und den ohmschen Spulenwiderstand bzw. die Güte der Mikrospule zu bestimmen. Das Verfahren kann zur Qualitätssicherung und Fertigungsüberwachung bei der Herstellung der Mikrospule zur Anwendung kommen. Nachteilig ist dabei, dass mit zunehmender Miniaturisierung der Mikrospule, die elektrische Kontaktierung der Spulenanschlüsse problematisch ist. Der Spulendurchmesser der Mikrospule kann beispielsweise kleiner als 0,8 Millimeter sein und der Spulendraht der Mikrospule kann einen Durchmesser von weniger als 40 μm aufweisen. Die Verwendung von mechanischen Anschlussklemmen kann bei derart dünnen Spulendrähten mechanische Defekte an der Spule verursachen, wie z. B. einen Bruch im Spulendraht. Das Positionieren der Anschlussklemmen an den Spulendrähten erfordert außerdem ein hohes Maß an Konzentration des Bedienpersonals, was zu rascher Ermüdung führt, Außerdem verfälschen die Messkabel und Anschlussklemmen bei abnehmender Spulengröße zunehmend die Messung, da die induktiven und kapazitiven Eigenschaften der Messanordnung von den Kabeln dominiert werden und die Kennwerte der Mikrospule immer schwieriger zu extrahieren sind. Wegen des hohen Aufwands werden die Mikrospulen mit Hilfe des Verfahrens meist nur stichprobenartig geprüft. Such a method is known in practice. The coil terminals of the micro-coil are connected via terminals and measuring cable with a measuring device. To form a resonant circuit, the measuring device has an electrical capacitance of known size, which is connected in parallel to the microcoil during the measurement. With the aid of the measuring device, an electrical alternating signal is applied to the microcoil in order to determine the coil inductance, the coil capacitance and the ohmic coil resistance or the quality of the micro-coil in a manner known per se by measuring the voltage applied to the micro-coil and the coil current as characteristic values. The method can be used for quality assurance and production monitoring in the manufacture of the microcoil. The disadvantage here is that with increasing miniaturization of the microcoil, the electrical contacting of the coil terminals is problematic. The coil diameter of the microcoil may, for example, be less than 0.8 millimeter and the coil wire of the microcoil may have a diameter of less than 40 microns. The use of mechanical terminals may cause mechanical defects on the coil in such thin coil wires, such. B. a break in the coil wire. The positioning of the terminals on the coil wires also requires a high degree of operator concentration, which leads to rapid fatigue. In addition, as the coil size decreases, the measuring cables and terminals increasingly distort the measurement, as the inductive and capacitive characteristics of the measuring arrangement are dominated by the cables and the characteristics of the microcoil are increasingly difficult to extract. Because of the high cost, the micro-coils are usually only randomly tested by means of the method.

NOPPER, R.; NIEKRAWIETZ, R.; REINDL, L.: Wireless Readout of Passive LC Sensors, in: IEEE Transactions an Instrumentation and Measurement, vol. 59, no. 9, S. 2450–2457, Sept. 2010, Date of publication 30. Oktober 2009 und NOWAK, M; COLINET, E.; DELORME, N.; CONSEIL, F.; JACQUEMOD, G.: A wireless sensing platform for battery-free sensors, in: Circuits and Systems, 2008, ISCAS 2008, IEEE International Symposium, S. 2122– 2125, Mai 2008 offenbaren Vorrichtungen und Verfahren zur drahtlosen Bestimmung der Impedanz passiver LC-Sensoren. Es wird ein Abgleich zwischen Messwerten und einem analytischen Modell zur Bestimmung der elektrischen Parameter der Sensoren durchgeführt. Die Sensoren bestehen aus einer Mikrospule als Antenne, einem Widerstand und einer Kapazität.NOPPER, R .; NIEKRAWIETZ, R .; REINDL, L .: Wireless Readout of Passive LC Sensors, in: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 59, no. 9, pp. 2450-2457, Sept. 2010, Date of publication October 30, 2009 and NOWAK, M; COLINET, E .; DELORME, N .; CONSEIL, F .; JACQUEMOD, G .: A wireless sensing platform for battery-free sensors, in: Circuits and Systems, 2008, ISCAS 2008, IEEE International Symposium, pp. 2122-2155, May 2008 discloses apparatus and methods for wireless determination of the impedance of passive LCs. sensors. A comparison is made between measured values and an analytical model for determining the electrical parameters of the sensors. The sensors consist of a micro-coil as antenna, a resistor and a capacitor.

Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das auf einfache Weise durchgeführt werden kann und bei dem eine mechanische Beschädigung der zu prüfenden Mikrospule vermieden wird.It is therefore an object to provide a method of the type mentioned, which can be carried out in a simple manner and in which mechanical damage to be tested micro-coil is avoided.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

a) Es werden eine Mikrospule mit unbedrahteten Spulenanschlüssen und eine Messantenne mit Antennenanschlüssen bereitgestellt,
b) es wird ein elektromagnetisches Nahfeld erzeugt, das die Mikrospule durchsetzt,
c) es wird der Frequenzgang für die bei Schritt b) zwischen den Antennenanschlüssen anliegende Antenneneingangsimpedanz gemessen,
d) für die durch die Messantenne und die Mikrospule gebildete Schaltungsanordnung wird ein analytisches Modell bereitgestellt, das Antennenkenngrößen und als Spulenkenngrößen eine Spuleninduktivität, eine Spulenkapazität und einen ohmschen Spulenwiderstand enthält,
e) für jede Spulenkenngröße aus Schritt d) wird ein Vorgabewert bereitgestellt,
f) mit Hilfe des analytischen Modells wird ein weiterer Frequenzgang für die Antenneneingangsimpedanz ermittelt, wobei dem analytischen Modell für jede Spulenkenngröße jeweils ihr Vorgabewert zu Grunde gelegt wird,
g) es wird ein von der Abweichung zwischen dem gemessenen Frequenzgang und dem analytisch bestimmten Frequenzgang abhängiger Fehlerkennwert bestimmt und mit einem vorbestimmten Sollwert oder Sollwertbereich verglichen,
h) wenn der Fehlerkennwert nicht mit dem Sollwert oder Sollwertbereich übereinstimmt, i) wird mindestens einer der Vorgabewerte verändert und ii) die Schritte f), g) und h) werden wiederholt,
j) mindestens ein Vorgabewert, bei dem der Fehlerkennwert mit dem Sollwert oder Sollwertbereich übereinstimmt, wird als Kennwert der entsprechenden Spulenkenngröße der Mikrospule zugeordnet.

According to the invention the object is achieved by a method of the aforementioned type, comprising the following method steps:

a) there are provided a micro-coil with unwired coil terminals and a measuring antenna with antenna terminals,
b) a near-field electromagnetic field is generated which passes through the micro-coil,
c) measuring the frequency response for the antenna input impedance applied between the antenna terminals in step b),
d) for the circuit arrangement formed by the measuring antenna and the micro-coil an analytical model is provided which contains antenna characteristics and as coil characteristics a coil inductance, a coil capacitance and a resistive coil resistance,
e) a default value is provided for each coil parameter from step d),
f) with the aid of the analytical model, a further frequency response for the antenna input impedance is determined, the analytical model being used for each coil characteristic in each case based on its default value,
g) an error characteristic dependent on the deviation between the measured frequency response and the analytically determined frequency response is determined and compared with a predetermined desired value or nominal value range,
h) if the fault characteristic value does not coincide with the setpoint or setpoint range, i) at least one of the default values is changed and ii) steps f), g) and h) are repeated,
j) at least one default value, in which the error characteristic value coincides with the desired value or nominal value range, is assigned as characteristic value of the corresponding coil characteristic of the microcoil.

In vorteilhafter Weise werden die Kennwerte der Mikrospule also kontaktlos ermittelt, d. h, ohne die Verwendung von Anschlussklemmen, welche die Spulenanschlüsse kontaktieren. Dadurch entfällt ein aufwändiges Positionieren der Anschlussklemmen an den Spulenanschlüssen. Das Verfahren kann somit auf eine einfache Weise beispielsweise während des laufenden Produktionsprozesses durchgeführt werde. Das Verfahren ermöglicht eine vollautomatische 100%-Kontrolle von drahtgewickelten Spulen bzw. Wickelgütern bei der Fertigung. Da die Spulenanschlüsse bei der Durchführung des Verfahrens unbedrahtet sind, wird ehe mechanische Beschädigung der Spulendrähte durch Anschlussklemmen, Messkontakte oder dergleichen von vorneherein vermieden. Unter unbedrahteten Spulenanschlüssen werden Spulenanschlüsse verstanden, an denen keine externen elektrischen Festkörper-Leiter, wie z. B. Messleitungen und/oder Anschlussklemmen angeschlossen sind. Advantageously, the characteristics of the microcoil are thus determined contactless, d. h, without the use of terminals that contact the coil terminals. This eliminates a complex positioning of the terminals on the coil terminals. The method can thus be carried out in a simple manner, for example during the ongoing production process. The process enables fully automatic 100% inspection of wire-wound coils or coils during production. Since the coil terminals are not wired in the implementation of the method, before mechanical damage to the coil wires by terminals, measuring contacts or the like is avoided from the outset. Unwired coil connections are understood to be coil terminals to which no external solid-state electrical conductors, such. B. test leads and / or terminals are connected.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens sind folgende zusätzliche Verfahrensschritte vorgesehen:

a) Es wird eine Mehrzahl von mit der Mikrospule aus Anspruch 1 baugleichen Mikrospulen bereitgestellt,
b) für jede der Mehrzahl von Mikrospulen wird jeweils durch eine drahtgebundene Messung für jede der Spulenkenngrößen ein Messwert ermittelt,
c) für jede der Spulenkenngrößen wird aus den ihr zugeordneten Messwerten ein Erwartungswertebereich für den Wert der Spulenkenngröße ermittelt,
d) der mindestens eine der Vorgabewerte wird in den Schritten 1e) und/oder 1h) i) so gewählt, dass er innerhalb des ihm zugeordneten Erwartungswertebereichs liegt.

In an advantageous embodiment of the method, the following additional method steps are provided:

a) a plurality of micro-coils identical in construction to the micro-coil of claim 1 are provided,
b) for each of the plurality of microcoils, a measured value is determined in each case by a wired measurement for each of the coil parameters,
c) for each of the coil parameters, an expected value range for the value of the coil parameter is determined from the measured values assigned to it,
d) the at least one of the default values is selected in steps 1e) and / or 1h) i) so that it lies within the expected value range assigned to it.

Bei dem Verfahren wird also zunächst für eine Anzahl von Mikrospulen einer bestimmten Bauart durch drahtgebundene Messungen der mindestens eine Spulen-Kennwert ermittelt, um danach für die betreffende Bauart einen Erwartungsbereich festzulegen, in dem der Spulen-Kennwert üblicherweise liegt. Danach wird der mindestens eine Spulen-Kennwert für weitere Mikrospulen dieser Bauart drahtlos ermittelt, wobei der mindestens eine Vorgabewert in den Verfahrensschritten 1e) und/oder 1h) i) innerhalb des Erwartungswertebereich gewählt wird. Beim ersten Durchlaufen des Verfahrensschritts 1e) wird der Vorgabewert bevorzugt derart gewählt, dass er mit dem Wert übereinstimmt, der für die zu messende Spulenkenngröße und die betreffende Spulen-Bauart typisch ist. Dieser Wert kann beispielsweise dem Mittelwert der Kennwerte entsprechen, die bei der drahtgebundenen Messung für eine Vielzahl von Mikrospulen ermittelt wurden.In the method, the at least one coil characteristic value is first of all determined for a number of micro-coils of a specific type by wired measurements in order then to determine an expected range for the relevant type in which the coil characteristic value is usually located. Thereafter, the at least one coil characteristic for further micro-coils of this type is determined wirelessly, the at least one default value in the method steps 1e) and / or 1h) i) being selected within the expected value range. When first executing the process step 1e), the default value is preferably selected such that it corresponds to the value that is typical for the coil characteristic to be measured and the relevant coil design. For example, this value may correspond to the average value of the characteristic values which have been determined in the case of the wired measurement for a multiplicity of micro-coils.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das analytische Modell der Schaltungsanordnung als Antennenkenngrößen eine Antenneninduktivität, eine Gegeninduktivität für eine magnetische Kopplung zwischen der Antenneninduktivität und der Spuleninduktivität, eine Antennenkapazität und einen ohmschen Antennenwiderstand. Mit diesen Antennenparametern kann der mindestens eine Kennwert der Mikrospule bereits mit relativ großer Präzision bestimmt werden. Bei Bedarf können in dem Modell weitere Antennen- und/oder Spulenparameter berücksichtigt werden, beispielsweise Kopplungskapazitäten zwischen der Messantenne und der Mikrospule und/oder Leitungsinduktivitäten der Antennenzuleitungen. Die Kennwerte der Mikrospule können dann mit dem Verfahren noch genauer ermittelt werden.In a preferred embodiment of the invention, the analytical model of the circuit contains as antenna characteristics an antenna inductance, a mutual inductance for a magnetic coupling between the antenna inductance and the coil inductance, an antenna capacitance and an ohmic antenna resistance. With these antenna parameters, the at least one characteristic value of the microcoil can already be determined with relatively great precision. If required, additional antenna and / or coil parameters can be taken into account in the model, for example coupling capacitances between the measuring antenna and the microcoil and / or line inductances of the antenna feeders. The characteristic values of the microcoil can then be determined even more precisely with the method.

Zweckmäßigerweise wird als Messantenne eine Ringantenne verwendet. Dabei wird die Mikrospule bevorzugt in dem von der Ringantenne umgrenzten Raum angeordnet, insbesondere mittig zur Ringantenne. Als Antenne kann jegliche Art von induktivem Bauelement verwendet werden, beispielsweise eine gewickelte Spule, eine planare Spule sowie verschiedene Bauformen und Kombinationen von Antennen und/oder Spulen.Conveniently, a loop antenna is used as a measuring antenna. In this case, the microcoil is preferably arranged in the space bounded by the ring antenna, in particular centrally to the ring antenna. As the antenna, any type of inductive component may be used, for example, a wound coil, a planar coil and various types and combinations of antennas and / or coils.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Messantenne eine Antihelmholtzspule oder Maxwellspule verwendet, zwischen deren Spulen die Mikrospule positioniert wird. Durch die Antihelmholtzspule oder Maxwellspule ist die Mikrospule während der Messung gegen externe elektromagnetische Störfelder abgeschirmt.In another advantageous embodiment of the invention, an anti-Helmholtz coil or Maxwell coil is used as a measuring antenna, between whose coils the micro-coil is positioned. Due to the anti-Helmholtz coil or Maxwell coil, the micro-coil is shielded during the measurement against external electromagnetic interference fields.

Vorteilhaft ist, wenn die Mikrospule in einem Hohlraumresonator angeordnet ist und wenn das elektromagnetische Nahfeld im Hohlraumresonator erzeugt wird. Die Mikrospule befindet sich dabei in einer magnetisch abgeschirmten Messkammer, in der während der Messung ein definiertes elektromagnetisches Feld erzeugt wird.It is advantageous if the microcoil is arranged in a cavity resonator and if the electromagnetic near field is generated in the cavity resonator. The microcoil is located in a magnetically shielded measuring chamber in which a defined electromagnetic field is generated during the measurement.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist die Mikrospule in Verfahrensschritt 1d) in einer Flüssigkeit angeordnet. Dadurch ergeben sich während der Messung definierte Umgebungsbedingungen an der Mikrospule. Durch die Flüssigkeit kann der Einfluss von Luflfeuchtigkeitsschwankungen auf den ermittelten Spulen-Kennwert reduziert werden. Bei Bedarf kann die Flüssigkeit auf einen vorbestimmten Temperaturwert temperiert werden.In a preferred embodiment of the method, the microcoil is arranged in method step 1d) in a liquid. This results in defined ambient conditions at the microcoil during the measurement. The influence of fluctuations in air humidity on the determined coil characteristic can be reduced by the liquid. If necessary, the liquid can be tempered to a predetermined temperature value.

Die Flüssigkeit kann elektrisch isolierend sein. Die Flüssigkeit kann beispielsweise ein Öl sein oder ein solches enthalten. The liquid can be electrically insulating. The liquid may be, for example, an oil or contain such.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Flüssigkeit elektrisch leitend oder halbleitend. Die Spulenanschlüsse sind dann während der Durchführung des Verfahrens über die Flüssigkeit mit einer vorbestimmten Impedanz abgeschlossen, ohne dass an den Spulenanschlüssen Anschlussklemmen oder dergleichen Festkörperanschlüsse positioniert werden müssen.In another advantageous embodiment of the invention, the liquid is electrically conductive or semiconducting. The coil terminals are then terminated with a predetermined impedance during the performance of the process without the need to position terminals or similar solid state terminals at the coil terminals.

Vorteilhaft ist, wenn in Verfahrensschritt 1h) i) der mindestens eine veränderte Vorgabewert mittels eines Schätzverfahrens bestimmt wird. Als Schätzverfahren kommt bevorzugt ein rekursives Schätzverfahren zur Anwendung, insbesondere ein RLS-Verfahren (Recursive Last Square) oder ein Kalman-Filterverfahren.It is advantageous if, in method step 1h) i), the at least one changed default value is determined by means of an estimation method. The estimation method used is preferably a recursive estimation method, in particular a Recursive Last Square (RLS) method or a Kalman filter method.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird für den gemessenen Frequenzgang und den mit Hilfe des analytischen Modells ermittelten Frequenzgang jeweils eine Anzahl von Stützstellen bereitgestellt, wobei als Fehlerkennwert die Summe der Quadrate der Abweichungen zwischen den Stützstellen des gemessenen Frequenzgangs und den diesen zugeordneten Stützstellen des mit Hilfe des analytischen Modells ermittelten Frequenzgangs bestimmt wird. Der Fehlerkennwert kann dann auf einfache Weise numerisch bestimmt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Mikrocomputers.In a preferred embodiment of the invention, in each case a number of support points are provided for the measured frequency response and the frequency response determined with the aid of the analytical model, the sum of the squares of the deviations between the support points of the measured frequency response and the support points of the latter associated with it being used as an error parameter determined by the analytical model. The error characteristic can then be determined numerically in a simple manner, for example by means of a microcomputer.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing. It shows:

1 eine Schaltungsanordnung, die eine Messantenne und eine in deren elektromagnetischem Nahfeld angeordnete Mikrospule aufweist, wobei Antennenanschlüsse der Messantenne an einem Impedanzanalysator angeschlossen sind, 1 a circuit arrangement which has a measuring antenna and a micro-coil arranged in its electromagnetic near field, wherein antenna terminals of the measuring antenna are connected to an impedance analyzer,

2 eine graphische Darstellung eines mit Hilfe des Impedanzanalysators gemessenen Amplituden-Frequenzgangs und eines mit Hilfe des Modells berechneten Frequenzgangs der Antenneneingangsimpedanz der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung, wobei auf der Abszisse die Frequenz f und auf der Ordinate die normierte Antenneneingangsimpedanz Z aufgetragen sind, 2 a graphical representation of an amplitude frequency response measured with the aid of the impedance analyzer and a calculated using the model frequency response of the antenna input impedance of in 1 shown circuit arrangement, wherein the abscissa represents the frequency f and the ordinate the normalized antenna input impedance Z,

3 eine graphische Darstellung des prinzipiellen Verlaufs des Amplituden-Frequenzgangs der Antenneneingangsimpedanz, wobei der Amplituden-Frequenzgang durch Geradenstücke angenähert ist, 3 a graphical representation of the principal course of the amplitude frequency response of the antenna input impedance, wherein the amplitude frequency response is approximated by straight line pieces,

4 ein Modell der aus der Messantenne und der Mikrospule bestehenden Schaltungsanordnung und 4 a model of consisting of the measuring antenna and the micro-coil circuitry and

5 eine schematische Darstellung eines Hohlraumresonators, in dessen Innenhöhlung eine Mikrospule angeordnet ist. 5 a schematic representation of a cavity resonator, in the inner cavity of a micro-coil is arranged.

Bei einem Verfahren zum Bestimmen von Kennwerten für Spulenkenngrößen einer Mikrospule 1 werden eine Vielzahl von baugleichen Mikrospule bereitgestellt, die Toleranzen aufweisen.In a method for determining characteristics for coil characteristics of a microcoil 1 a variety of identical micro-coil are provided which have tolerances.

Die Mikrospule 1 ist in 1 nur schematisch dargestellt und weist in an sich bekannter Weise einen Wickelkörper auf, der mit einem Spulendraht bewickelt ist. Die Mikrospule 1 kann aber auch eine Luftspule sein, die ohne einen Wickelkörper hergestellt ist. Auch kann die Mikrospule 1 eine planare Spule sein, die mit lithographischen oder siebdrucktechnischen Verfahren hergestellt ist.The microcoil 1 is in 1 shown only schematically and has in a conventional manner a wound body which is wound with a coil wire. The microcoil 1 but can also be an air coil, which is made without a winding body. Also, the microcoil 1 a planar coil made by lithographic or screen printing techniques.

Die Enden des Spulendrahts sind aus der Wicklung herausgeführt und dienen als Spulenanschlüsse 2, 3, über welche die Spule nach ihrem Einbau in eine elektrische Schaltung mit weiteren elektrischen Bauelementen verbunden werden kann.The ends of the coil wire are led out of the winding and serve as coil terminals 2 . 3 , via which the coil can be connected after its installation in an electrical circuit with other electrical components.

Die Spulenanschlüsse 2, 3 der einzelnen Mikrospulen werden über in der Zeichnung nicht näher dargestellten Anschlussklemmen mit Messanschlüssen eines Impedanzanalysators 5 oder Netzwerkanalysators elektrisch verbunden. Parallel zu den Spulenanschlüssen 2, 3 wird eine Kapazität bekannter Größe geschaltet, mit der die Mikrospule einen Parallelschwingkreis bildet.The coil connections 2 . 3 The individual micro-coils are connected via terminals not shown in the drawing with measuring terminals of an impedance analyzer 5 or network analyzer electrically connected. Parallel to the coil terminals 2 . 3 a capacity of known size is switched, with which the micro-coil forms a parallel resonant circuit.

Mit Hilfe des Impedanzanalysators 5 wird der Frequenzgang des Parallelschwingkreises gemessen. Aus dem Frequenzgang werden mit Hilfe eines analytischen Modells des Parallelschwingkreises für jede Mikrospule 1 Messwerte für die Spulenkenngrößen Spuleninduktivität, Spulenkapazität und Spulenwiderstand ermittelt. Anstelle des Spulenwiderstands oder zusätzlich dazu kann auch ein Messwert für die Spulengüte ermittelt werden.With the help of the impedance analyzer 5 the frequency response of the parallel resonant circuit is measured. The frequency response is calculated using an analytical model of the parallel resonant circuit for each microcoil 1 Measured values for the coil characteristics Coil inductance, coil capacitance and coil resistance determined. Instead of the coil resistance or in addition to this, a measured value for the coil quality can also be determined.

Aus den so erhaltenen Messwerten wird für jede Spulenkenngrößen jeweils ein Erwartungswertebereich gebildet, in dem die Messwerte für die betreffende Spulenkenngröße normalerweise liegen. Die Erwartungswertebereiche können beispielsweise folgende Wertebereiche haben: – Spuleninduktivität: 500 μH–565 μH – Spulenkapazität: 4,31 pF–5,12 pF – Spulenwiderstand: 460 Ω–530 Ω From the measured values thus obtained, an expectation range is formed for each coil characteristic, in which the measured values for the relevant coil parameter normally lie. The expected value ranges can, for example, have the following value ranges: Coil inductance: 500 μH-565 μH - Coil capacity: 4.31 pF-5.12 pF - coil resistance: 460 Ω-530 Ω

Außerdem wird für jede Spulenkenngrößen ein Wert ermittelt, der für die betreffende Spulenkenngröße typisch ist, z. B.: – Spuleninduktivität: 513,5 μH – Spulenkapazität: 4,91 pF – Spulenwiderstand: 502,32 Ω In addition, a value is determined for each coil characteristics, which is typical for the coil characteristic in question, z. B .: Coil inductance: 513.5 μH - Coil capacity: 4.91 pF - coil resistance: 502.32 Ω

Nun wird eine weitere Mikrospule 1 bereitgestellt, die mit den gemessenen Mikrospulen baugleich ist und bei der die Kennwerte der Spulenkenngrößen unbekannt sind und ermittelt werden sollen.Now another microcoil 1 provided, which is identical to the measured micro-coils and in which the characteristic values of the coil parameters are unknown and should be determined.

Außerdem wird eine Messantenne 4 bereitgestellt. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Messantenne 4 als Ringantenne mit zwei Antennenanschlüssen 6, 7 ausgestaltet, die an den Ringenden der Messantenne 4 angeordnet sind. jeder Antennenanschluss 6, 7 wird jeweils mit einem Messanschluss des Impedanzanalysators 5 verbunden.In addition, a measuring antenna 4 provided. At the in 1 The embodiment shown is the measuring antenna 4 as a ring antenna with two antenna connections 6 . 7 configured at the ring ends of the measuring antenna 4 are arranged. every antenna connection 6 . 7 is each connected to a measuring terminal of the impedance analyzer 5 connected.

Mit Hilfe des Impedanzanalysators 5 wird an die Antennenanschlüsse 6, 7 eine elektrische Wechselspannung angelegt, die um die Messantenne 4 herum ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das die zu charakterisierende Mikrospule 1 durchsetzt. Wie in 1 erkennbar ist, sind die Spulenanschlüsse unbedrahtet, d. h. die Mikrospule 1 ist offen.With the help of the impedance analyzer 5 gets to the antenna connections 6 . 7 an alternating electrical voltage applied around the measuring antenna 4 generates an electromagnetic field around which the micro-coil to be characterized 1 interspersed. As in 1 is recognizable, the coil terminals are not wired, ie the micro-coil 1 is open.

Die an die Antennenanschlüsse 6, 7 angelegte Wechselspannung wird an der Antenneneingangsimpedanz Z reflektiert und das reflektierte Signal wird mittels des Netzwerkanalysators gemessen. Aus dem Amplitudenverhältnis zwischen dem ausgesendeten Wechselspannungssignal und dem zurückreflektierten Signal wird der Reflexionsfaktor bestimmt Die Messung wird für eine Anzahl von beispielsweise 512 unterschiedlichen Frequenzen in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 5 MHz durchgeführt, um den Amplituden-Frequenzgang zu ermitteln. Der gemessene Frequenzgang ist in 2 durch eine gestrichelte Linie 8 dargestellt. Deutlich ist erkennbar, dass der Betrag der Antenneneingangsimpedanz Z bei einer Resonanzfrequenz ein Maximum aufweist und beidseits der Resonanzfrequenz abfällt.The to the antenna connections 6 . 7 applied AC voltage is reflected at the antenna input impedance Z and the reflected signal is measured by the network analyzer. The reflection factor is determined from the amplitude ratio between the transmitted AC signal and the reflected-back signal. The measurement is performed for a number of, for example, 512 different frequencies in a frequency range of 1 MHz to 5 MHz to determine the amplitude frequency response. The measured frequency response is in 2 by a dashed line 8th shown. It can clearly be seen that the magnitude of the antenna input impedance Z has a maximum at a resonant frequency and drops on both sides of the resonant frequency.

Der prinzipielle Verlauf des Frequenzgangs ist in 3 dargestellt. Unterhalb einer unteren Grenzfrequenz, die den Wert f_g = R/2πL aufweist, ist die Antenneneingangsimpedanz im Wesentlichen resistiv, zwischen der unteren Grenzfrequenz und der Resonanzfrequenz f_r = 1/2π√LC induktiv und oberhalb der Resonanzfrequenz kapazitiv.The basic course of the frequency response is in 3 shown. Below a lower cutoff frequency, which is the value f _g = R / 2πL , the antenna input impedance is substantially resistive between the lower limit frequency and the resonant frequency f _r = 1 / 2π√ LC inductively and capacitively above the resonant frequency.

Für die durch die Messantenne 4 und die von deren Feld durchsetzte Mikrospule 1 gebildete Schaltungsanordnung wird das in 4 gezeigte analytische Modell bereitgestellt, das als Antennenkenngrößen eine Antenneninduktivität L₁, eine Antennenkapazität C₁ und einen ohmschen Antennenwiderstand R₁ enthält Der Antennenwiderstand R₁ ist mit der Antenneninduktivität L₁ in Reihe geschaltet und zu dieser Reihenschaltung ist die Antennenkapazität C₁ parallel geschaltet. Die Werte dieser Antennenkenngrößen können aus dem Ringdurchmesser D, dem Drahtdurchmesser d der Messantenne, der Eindringtiefe d_P des elektromagnetischen Felds in der Messantenne, die von der Messantenne umschlossene Fläche A, dem Umfang I der Messantenne und der Frequenz f wie folgt ermittelt werden:

For those through the measuring antenna 4 and the micro-coil penetrated by its field 1 formed circuit arrangement is the in 4 is provided with an antenna inductance L ₁ , an antenna capacitance C ₁ and an ohmic antenna resistance R ₁ The antenna resistance R ₁ is connected in series with the antenna inductance L ₁ and to this series circuit the antenna capacitance C ₁ is connected in parallel. The values of these antenna characteristics can be determined from the ring diameter D, the wire diameter d of the measuring antenna, the penetration depth d _{P of} the electromagnetic field in the measuring antenna, the area A enclosed by the measuring antenna, the circumference I of the measuring antenna and the frequency f, as follows:

Die Messantenne 4 kann beispielsweise folgende Kennwerte aufweisen: L₁ = 29 nH C₁ = 100 fF R₁ = 25 mΩ The measuring antenna 4 can, for example, have the following characteristic values: L ₁ = 29 nH C ₁ = 100 fF R ₁ = 25 mΩ

In 4 ist außerdem erkennbar, dass das analytische Modell der Schaltungsanordnung als Spulenkenngrößen eine Spuleninduktivität L₂, eine Spulenkapazität C₂ und einen ohmschen Spulenwiderstand R₂ enthält. Der Spulenwiderstand R₂ ist mit der Spuleninduktivität L₂ in Reihe geschaltet und zu dieser Reihenschaltung ist die Spulenkapazität C₂ parallel geschaltet. Die Werte dieser Spulenkenngrößen sind zunächst unbekannt und sollen nachfolgend ermittelt werden.In 4 In addition, it can be seen that the analytical model of the circuit arrangement contains, as coil characteristics, a coil inductance L ₂ , a coil capacitance C ₂ and a resistive coil resistance R ₂ . The coil resistance R ₂ is connected in series with the coil inductance L ₂ , and the coil capacitance C ₂ is connected in parallel with this series connection. The values of these coil characteristics are initially unknown and will be determined below.

Außerdem weist das analytische Modell eine bekannte Gegeninduktivität M für die magnetische Kopplung zwischen der Antenneninduktivität L₁ und der Spuleninduktivität L₂ auf. Die Gegeninduktivität M kann aus der Antenneninduktivität L₁, der Spuleninduktivität L₂ und einem Kopplungsfaktor k wie folgt berechnet werden:

In addition, the analytical model has a known mutual inductance M for the magnetic coupling between the antenna inductance L ₁ and the coil inductance L ₂ . The mutual inductance M can be calculated from the antenna inductance L ₁ , the coil inductance L ₂ and a coupling factor k as follows:

Wenn die Mikrospule 1 innerhalb des Antennenrings beispielsweise mit Hilfe eines Roboters exakt positioniert wird, kann der Kopplungsfaktor k als konstant angenommen werden. Der Kopplungsfaktor kann einen Wert von 0,6 haben.If the microcoil 1 within the antenna ring, for example, with the help of a robot is exactly positioned, the coupling factor k can be assumed to be constant. The coupling factor can have a value of 0.6.

Bei Bedarf können in dem analytischen Modell auch Kopplungskapazitäten C_c1, C_c2 für die kapazitive Kopplung zwischen der Messantenne 4 und der Mikrospule 1 berücksichtigt werden. Die Kopplungskapazität C_c1 kann beispielsweise einen Wert von 3 nF und die Kopplungskapazität C_c2 einen Wert von 4 nF aufweisen.If required, in the analytical model also coupling capacitances C _c1 , C _c2 for the capacitive coupling between the measuring antenna 4 and the microcoil 1 be taken into account. For example, the coupling capacitance C _c1 may have a value of 3 nF and the coupling capacitance C _c2 a value of 4 nF.

Mit Hilfe des Modells kann die zwischen den Antennenanschlüssen 6, 7 anliegende Eingangsimpedanz Z der Schaltungsanordnung wie folgt berechnet werden, wobei ω die Kreisfrequenz bedeutet.With the help of the model, the between the antenna connections 6 . 7 adjacent input impedance Z of the circuit arrangement are calculated as follows, where ω means the angular frequency.

In dieser Gleichung sind alle Parameter, mit Ausnahme der Spulenkenngrößen L₂, C₂, R₂ bekannt. Um dennoch die Eingangsimpedanz Z berechnen zu können, wird für jede Spulenkenngröße L₂, C₂, R₂ jeweils der zuvor bei der bedrahteten Messung ermittelte Messwert als Vorgabewert bereitgestellt und in die obige Gleichung für für unterschiedliche Frequenzen eingesetzt. Der auf diese Weise berechnete Amplituden-Frequenzgang ist in 2 durch eine punktierte Linie 9 dargestellt.In this equation, all parameters except the coil characteristics L ₂ , C ₂ , R _{2 are} known. In order nevertheless to be able to calculate the input impedance Z, for each coil characteristic L ₂ , C ₂ , R ₂ the measured value previously determined in the wired measurement is provided as the default value and used in the above equation for for different frequencies. The amplitude frequency response calculated in this way is in 2 through a dotted line 9 shown.

Nun werden für die beispielsweise 512 unterschiedlichen Frequenzen die quadratischen Abweichungen zwischen dem berechneten Amplituden-Frequenzgang und dem gemessenen Amplituden-Frequenzgang ermittelt und aus den quadratischen Abweichungen wird der arithmetische Mittelwert gebildet, um einen Fehlerkennwert zu bilden. Der Fehlerkennwert wird mit einem vorbestimmten Sollwert verglichen, der beispielsweise 15% betragen kann.For the 512 different frequencies, for example, the quadratic deviations between the calculated amplitude frequency response and the measured amplitude frequency response are determined, and the arithmetic mean value is formed from the quadratic deviations in order to form an error characteristic value. The error characteristic value is compared with a predetermined desired value, which may be 15%, for example.

Wenn der Fehlerkennwert größer ist als der Sollwert, wird mit Hilfe eines geeigneten Schätzverfahrens der Vorgabewert mindestens einer Spulenkenngröße L₂, C₂, R₂ innerhalb des zuvor für diese Spulenkenngröße L₂, C₂, R₂ ermittelten Erwartungswertebereichs verändert Danach wird mit den so erhaltenen neuen Vorgabewerten der Amplituden-Frequenzgang erneut berechnet, um für die Vorgabewerte einen weiteren Fehlerkennwert zu bestimmen und diesen mit dem Sollwert zu vergleichen.If the error characteristic value is greater than the desired value, the default value of at least one coil characteristic L ₂ , C ₂ , R ₂ within the expected value range previously determined for this coil parameter L ₂ , C ₂ , R ₂ is changed with the aid of a suitable estimation method recalculated the amplitude frequency response in order to determine a further error characteristic value for the default values and to compare this with the desired value.

Die im letzten Absatz genannten Schritte werden solange wiederholt, bis der Fehlerkennwert kleiner ist als der Sollwert. Danach wird jeder Vorgabewert als Kennwert der entsprechenden Spulenkenngröße der Mikrospule zugeordnet. Dabei können sich z. B. folgende Kennwerte ergeben: – Spuleninduktivität: 513,5 μH – Spulenkapazität: 491 pF – Spulenwiderstand: 502,32 Ω The steps mentioned in the last paragraph are repeated until the error characteristic value is smaller than the setpoint. Thereafter, each default value is assigned as a characteristic value of the corresponding coil characteristic of the microcoil. This z. B. result in the following characteristics: Coil inductance: 513.5 μH - Coil capacity: 491 pF - coil resistance: 502.32 Ω

Wie in 5 erkennbar ist, kann die Mikrospule 1 auch in der Innenhöhlung eines Hohlraumresonators 10 angeordnet sein, der mit Hilfe einer Sendeantenne 11 elektromagnetisch angeregt wird. Die Sendeantenne 11 und/oder die Messantenne 4 können in der Innenhöhlung des Hohlraumresonators 10 angeordnet sein und/oder als Schlitzantenne in den Hohlraumresonator 10 integriert sein. Während bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Amplituden-Frequenzgang des Antenneneingangswiderstands über eine Reflexionsmessung bestimmt wird, wird er bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 über eine Transmission ermittelt. Alle beschriebenen Konfigurationen können auf Basis einer Reflexionsmessung und einer Transmissionsmessung durchgeführt werden. Auch ist die Konfiguration Hohlraumresonator 10 mit Reflexionsmessung möglich. In diesem Fall wird die Messantenne 4 auch als Sendeantenne genutzt.As in 5 can be seen, the microcoil 1 also in the inner cavity of a cavity resonator 10 be arranged using a transmitting antenna 11 is excited electromagnetically. The transmitting antenna 11 and / or the measuring antenna 4 can in the inner cavity of the cavity resonator 10 be arranged and / or as a slot antenna in the cavity resonator 10 be integrated. While at the in 1 In the exemplary embodiment shown, the amplitude / frequency response of the antenna input resistance is determined by means of a reflection measurement, in the exemplary embodiment according to FIG 5 determined via a transmission. All described configurations can be performed on the basis of a reflection measurement and a transmission measurement. Also, the configuration is cavity resonator 10 possible with reflection measurement. In this case, the measuring antenna 4 also used as a transmitting antenna.

Erwähnt werden soll noch, dass die Mikrospule 1 während der Messung des Amplituden-Frequenzgangs der Schaltungsanordnung in einer elektrisch leitenden, halbleitenden oder elektrisch isolierenden Flüssigkeit angeordnet sein kann.It should be mentioned that the micro-coil 1 during the measurement of the amplitude frequency response of the circuit arrangement can be arranged in an electrically conductive, semiconducting or electrically insulating liquid.

Claims

Method for determining at least one characteristic value for a coil characteristic of a microcoil ( 1 ), characterized by the following method steps: a) a microcoil ( 1 ) with non-wired coil terminals and a measuring antenna ( 4 ) with antenna connections ( 6 . 7 b) a near-field electromagnetic field is generated which causes the micro-coil ( 1 c) the frequency response for the step b) between the antenna connections ( 6 . 7 ) antenna input impedance (Z) is applied, d) for the measurement antenna ( 4 ) and the microcoil ( 1 ) an analytical model is provided which contains antenna characteristics and as coil characteristics a coil inductance (L ₂ ), a coil capacitance (C ₂ ) and a resistive coil resistance (R ₂ ), e) for each coil parameter from step d) a default value is provided f) using the analytical model, a further frequency response for the antenna input impedance (Z) is determined, the analytical model for each coil characteristic is based on their default value, g) it is one of the deviation between the measured frequency response and the analytic h) if the fault characteristic value does not agree with the desired value or setpoint range, i) at least the default values are changed and ii) the steps f), g) and h) are repeated , j) at least one default value, at de m the error characteristic matches the setpoint or setpoint range is assigned as the characteristic value of the corresponding coil characteristic of the microcoil.

Method according to claim 1, characterized by the following further method steps: a) a plurality of said micro-coils ( 1 b) for each of the plurality of microcoils, a measured value is determined for each of the coil parameters by a wired measurement, c) an expected value range for the value of the coil parameter is determined for each of the coil characteristics from the measured values assigned to it , d) the at least one of the default values is selected in steps 1e) and / or 1h) i) such that it lies within the expected value range assigned to it.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the analytical model of the circuit arrangement as antenna characteristics an antenna inductance (L ₁ ), a mutual inductance (M) for a magnetic coupling between the antenna inductance (L ₁ ) and the coil inductance (L ₂ ), a Antenna capacity (C ₂ ) and an ohmic antenna resistance (R ₂ ) contains.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that as a measuring antenna ( 4 ) a ring antenna is used.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that as a measuring antenna ( 4 ) an anti-Helmholtz coil or Maxwell coil is used, between whose coils the micro-coil ( 1 ) is positioned.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the microcoil ( 1 ) in a cavity resonator ( 10 ) and that electromagnetic near field in the cavity resonator ( 10 ) is produced.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the microcoil ( 1 ) in step 1d) is arranged in a liquid.

A method according to claim 7, characterized in that the liquid is electrically insulating.

A method according to claim 7, characterized in that the liquid is electrically conductive or semiconducting.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that in step 1h) i) the at least one modified default value is determined by means of an estimation method.

Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that in each case a number of support points is provided for the measured frequency response and the determined using the analytical model frequency response, and that as an error characteristic, the sum of the squares of the deviations between the nodes of the measured frequency response and the support points associated therewith of the frequency response determined with the aid of the analytical model.